利用雨流法进行疲劳分析和寿命估算

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1、利用雨流法统计进行疲劳分析和寿命估计沈松应怀樵刘进明（东方振动和噪声技术研究所，北京，100085）摘要：对于长期承受交变载荷的机器设备，除了振动和强度外，疲劳也是导致其损坏的常见原因之一。因此进行有效的疲劳分析和寿命估计，是保障设备安全运转的重要手段之一。本文介绍了基于DASP软件的疲劳分析方法，利用符合材料应力循环特性的雨流法对结构承受的交变载荷进行统计分析，然后进行损伤度的计算和寿命估计。关键词：雨流法；疲劳分析；寿命估计Abstract:Forthemachineworkedwithlastingalternateloads,thef

2、atigueisthefamiliarreasonofdamage,besidesthevibrationandstrength.Sotheeffectivefatigueanalysisandlifeestimateistheimportantmethodtoensurethatthemachinecanworksafely.ThefatigueanalysismethodbaseonthesoftwarenamedDASPisintroducedinthispaper.Firstthealternateloadsstatisticsisd

3、onebyrainflowmethodthatisaccordwiththestresscyclecharacteristicofmaterial,andthenthedamagedegreeiscalculated.KeyWords:rainflowmethod;fatigueanalysis;lifeestimate1引言实际生产中许多设备在正常工作状态下需要承受循环交变载荷，这种循环载荷在性质上既不同于静态载荷，也不同于振动载荷，但同时也具有两种载荷的某些特征。它常常具有低速重载的特点，一方面是循环受力，另一方面又具有很低的循环频率和较

4、大的载荷。承担装卸任务的港口机械、需要左右倾倒的热轧设备等结构都长期处于循环交变载荷的作用下。对于这种情形，即使设备具有足够的静态强度，并且不会产生共振，但却会在长期的循环受力过程中出现疲劳损伤，导致设备的损坏。为防止结构发生疲劳损坏，了解设备疲劳状态，则需要对其进行疲劳测试分析，并进行寿命估计，保证设备的正常安全运行，并对设备的维修和故障诊断提供依据。如何对这些设备进行疲劳分析，以及如何保证分析的准确性是本文主要讨论问题。基于DASP系统的有关模块软件，结合此类问题各个环节的主要特征，文中总结了从疲劳测试、应力统计、损伤度计算到寿命估计的完

5、整方案。2疲劳测试疲劳测试是直接通过测量获取设备承受载荷的数据。测量的物理量选择动态应变和应力，符合低速重载的特征。测点的选择需要结合实际结构特点和受力情况，在结构的关键部位和应力集中部位布置测点，然后让设备处于工作状态或者模拟实际工况作业，记录各测点的动应变数据，并转换为应力数据。测量设备可包括电阻应变片、动态应变仪和INV303/306型信号采集分析仪，对结构所受应变和应力进行测试和数据记录，然后进入DASP软件进行分析。3雨流法进行应力统计应力幅的大小直接关系到结构的损伤度计算，因此需要对测量的数据进行统计，以便得到不同大小应力幅的出现

6、概率。然后结合各应力幅对应的损伤度和各应力幅的出现概率，得到结构的总损伤度。波形计数通常有几十种方法，常用的方法包括峰值计数法、变程计数法和雨流计数法，各方法具有各自的特点，也有不同的适用范围。DASP软件中包含上述三种常用计数方法，现分别进行比较和讨论。峰值计数法对载荷波形中落在各载荷等级中的所有峰值（波峰和波谷）的数目进行统计计数。这种方法记录了载荷波动的信息，但夸大了实际载荷时间历程中小载荷波动的幅值，即夸大了载荷对机件的损伤程度，因此偏于保守。变程计数法（振幅计数法），则只计及载荷时间历程中波峰和波谷之间的距离，而不考虑该振程距零载荷

7、的距离，它考虑了影响机件寿命的主要因素－振幅，但是忽略了载荷的静态分量。雨流计数法也叫塔顶计数法，其主要特点是根据研究材料的应力－应变过程进行计数，统计载荷波形中的循环和半循环。雨流法计数方法如图1：（1）雨流的起点依次从每个峰值的内侧边开始，波形左半部为内侧边；（2）雨点在下一个峰值落下，直到对面有一个比开始时的峰值更大的峰值为止，也就是说比开始时的最大值更大的值或者比最小值更小的值为止；（3）当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时，也就停止；（4）按以上过程取出所有全循环，并记下各自的变程；（5）再按正负斜率去除所有半循环，并记下各自的变程；（

8、6）把取出的半循环按修正的“变程对”计数法配成全循环。应注意的是，应变－时间记录的每一部分只计而且仅计数图1雨流计数方法示意一次。一个基本假设是一个大的幅值所引起的