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1、可靠性相关资料读书报告1. 基本定义：可靠性的定义：所谓可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质” 。可靠性的概率度量称为可靠度（GJB451-90 ) 。可靠性也有表征它自己性质的定量参数，常用的可靠性参数有：可靠度、失效分布或寿命分布函数、概率密度函数、失效率、平均寿命、或平均故障间隔时间、有效度。维修性的定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力。维修性的概率度量称维修度。(GJB451-90. GJB/Z91-97)广义可靠性(Generalized Reliability)：是指“产品在其整个寿命
2、期限内完成规定功能的能力” 。它包括可靠性(即狭义可靠性 )与维修性。由此可见，广义可靠性对于可能维修的产品和不可能维修的产品有不同的意义。对于可能维修的产品来说，除了要考虑提高其可靠性外，还应考虑提高其维修性；而对于不可能维修的产品来说，由于不存在维修的问题，只需考虑提高其可靠性。可用性定义：可用性是产品在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度。可用性的概率度量称可用度。这里已包括了维修的效用在内。对于可能维修的产品，当发生故障时，只要在允许的时间内修复后又能正常工作，则其有效度与单一可靠度相比，是增加了正常工作的概率。2. 可靠性试验分类按照试验工作项目分：环境应力
3、筛选试验、可靠性增长试验、可靠性鉴定试验、可靠性验收试验。按寿命试验分类：寿命试验、贮存寿命试验、加速寿命试验、环境试验。3. 可靠性理论的应用结构可靠性基本理论的研究始于二十世纪二十年代。可靠性主要是研究统计不确定性，且用概率来度量。结构可靠性对相关力学学科的发展和新兴学科分支的诞生，起到了很大的推动作用。二十世纪七十年代发展了概率疲劳理论。二十世纪八十年代发展了概率断裂学和随机结构动力学。现在结构可靠性在航天、航空、车辆、土建等各个领域得到了成功的应用。4. 可靠性应用于机车车辆中的历程现代机车车辆结构设计理念中，产品抗疲劳性能是重要标志之一。据统计，大约有80%90%的零件破坏是由疲劳引
4、起的。新产品开发中不仅要求结构具有良好的可靠性(Reliability)、耐久性(Durability) ，而且还要求结构尽可能轻量化 (Lightweight)，以便提高结构承载能力和产品竞争力。随着市场竞争日趋激烈，产品开发周期极大的缩短，结构轻量化和耐久性设计也越来越受到重视，结构疲劳可靠性对机车车辆结构运行的安全性来说尤为重要，但与结构轻量化常常出现矛盾。因此，结构疲劳可靠性成为当前现代机车车辆结构设计研究的一个重点与发展趋势。机车车辆结构疲劳可靠性主要研究内容就是其结构部件的疲劳寿命。目前国内外对结构疲劳寿命研究主要趋势之一就是采用物理失效(PhysicsFailure)方法去设计和
5、预测结构疲劳寿命，即直接或间接控制施加在结构部件上的载荷时间历程，分析结构部件的疲劳损伤失效，同时确定其有效的寿命。4.1 国外研究状况及发展自 19 世纪上半叶以来，许多国内外专家学者都为疲劳研究和发展做出了开拓性的研究和贡献。现代结构疲劳分析也已经发展成为一个包含多学科的研究分支和领域。R.K.Luo，B L Gabbitas(1994)等较早提出利用有限元疲劳设计方法对地铁车辆转向架构架的疲劳寿命进行估算。整个分析过程分为五部分，其中包括：轨道不平顺的定义和测量；车辆建模和轮轨外形描述；获得铁路车辆悬挂系统的载荷历程；车辆系统动力学仿真分析以及构架的应力评估；转向架构架疲劳寿命评估。整个
6、研究的对象为一辆典型的伦敦地铁车辆，动力学分析采用 VAMPIRE 软件，有限元采用 PAFEC 软件包，其疲劳计算结果和实际运行车辆试验结果对比显示了良好的一致性。这种基于实际车辆轨道运行的转向架而进行的疲劳设计方法，在设计阶段应用被证明是可能的。Stefan Dietz(1998)等根据轻量化设计的货运机车转向架构架结构，提出了一种承受随机动载的结构疲劳寿命预测方法。该法主要基于结构在频域和时域的混合计算预测结构疲劳寿命。这种方法可以有效节省计算机分析机时。它利用一种并行的计算机软件仿真环境，即集成计算机辅助设计(CAD)，有限元法(FEM)和多体系统(MBS )方法对转向架构架进行疲劳寿
7、命预测。其基本过程是：通过多体仿真计算得到作用在构架上的随机动载荷(考虑构架的弹性影响)。对于运行在直线轨道上的转向架，动力学运动方程考虑成线性关系，此时轨道激励主要是轨道不平顺的功率谱；在产生较大动载的斜坡轨道或是曲线轨道运行时，动力学运动方程通过非线性微分方程进行仿真计算，这时的轨道激励主要是轨道的随机不平顺。根据多体系统动力学的仿真计算得到载荷时间历程和有限元法求得构架的应力 SIC 相乘叠加求得构架的动应力分布，最后在多体系统(MBS )的后处理 FATIGUE 程序中，运用雨流计数法和 Palmgren-Miner 法则进行构架疲劳寿命的预测。Hong Su(2000)提出一种频域的
8、结构疲劳寿命预测方法，即通过模拟汽车的随机振动过程，得到结构关键部位的加速度和动应力响应及其功率谱密度，并结合有限元分析技术、随机振动和疲劳累积损伤理论对仿真结果进行后处理，估算出结构的疲劳寿命。结构的频率响应主要是通过应用 MSC.NASTRAN 频响分析模块进行计算，随机响应的统计特征通过 PSD 函数进行描述，并计算了承受多通道载荷激励的后轴装配结构的疲劳损伤和寿命，结论是采用随机振动分析方法进行结构疲劳寿命估算所需仿真费用相对较低。Srikantan S.，YerrapaIli S.和 Keshtakar H(2000)讨论了使用现场测试数据进行卡车车体结构的耐久性以及疲劳分析的方法。
9、研究重点在于结构可靠性分析和疲劳分析应力/应变强度分析方法的不同，同时研究了现场路面测试的车辆数据如何应用在车辆疲劳寿命的仿真中。结构应力由 MSC.NASTRAN 确定，而结构疲劳寿命预测利用 MSC.FATIGUE 进行。如果结构寿命达不到疲劳设计标准要求，样机的结构就需要进行重新优化设计并修改。Medepalli 和 Rao(2000)讨论了车辆疲劳设计需要的路面载荷。文献中主要讨论如何在车辆设计早期阶段利用计算机仿真技术预测路面载荷状况。多体系统利用 ADAIvf 进行计算机仿真，从仿真中获得结果文件用来分析路面载荷，结果表明柔性体的模型更接近实际测量的路面载荷。H.Riener ，D
10、.Peiskammer， W.Witteveen(2001)比较了两种不同的有限元疲劳寿命预测方法。对汽车前悬架利用模态应力法和准静态应力法预测悬架结构寿命。在对悬架结构进行多轴准静态的疲劳寿命预测中，不仅考虑由于结构变形产生的应力，还考虑了结构柔性的影响，以及轮胎模型和各种路面状况影响因素，整车的多体动力学仿真软件采用ADAMS，耐久性分析采用软件 FEMFAT。最后得出了两点结论：基于结构切向力(CuttingForce)的结构疲劳寿命预测容易导致不真实的结果；基于模态应力法可以比较准确的预测结构的弹性变形影响。KIM H. S，YIM.H.J.和 Kim C.B. (2002)使用 DA
11、DS 对仿真车辆进行刚、柔体混合建模及多体动力学分析，同时增加了结构的耐久性评估。研究对象选择的是一辆小型客车，动应力分析使用 MSC.NASTRAN，对于结构的危险区域的疲劳寿命采用局部应变法进行预测。从疲劳分析中，确定了某一频域内疲劳损伤发生主要是依赖于路面的状况(服役的路面状况或是加速度测试路面的线路状况)。研究结果同时表明车辆真实的服役环境可通过一个加速度的测试环境进行有效的模拟。由于可以使用多体仿真获得真实服役环境疲劳分析所需要的应力历程结果，因此这种方法可以在设计的早期阶段实施。Sigmund Kyrrre As(2002)在其博士论文中结合铝合金汽车悬架，系统阐述了结构的有限元疲
12、劳评估方法，主要是根据单轴疲劳评估方法预测结构疲劳寿命并和临界面法的预测结果进行了比较。文中采用 FEDEM 进行动力学仿真，利用 nSoft 进行悬架的疲劳寿命预测。利用 MATLAB 对动载荷数据进行处理。结果表明结构有限元模型的准确度极大的影响着结构寿命预测的精度，不同单元网格的划分会导致寿命预测误差达到几倍。Gerber 的平均应力修正法要比 Goodman 和 SWT(Smith-Watson-Topper)修正法的寿命预测结果更加趋于保守。James Andrew(2003)在其博士论文中利用现场测试的多项试验数据，结合多体动力学分析(DADS 软件)、有限元方法(MSC.NAST
13、RAN 软件)、耐久性和可靠性分析 (DRAW 软件)和由 NASA 开发的疲劳裂纹扩展分析软件 FLAGRO 对军用拖车进行了结构疲劳寿命预测。主应变测试数据的统计采用了回归分析法和主变量分析技术。还利用时频复现技术，将路面谱PSD 转化为路面的时间激励数据，将此结果和采用实际加速度测试的轨道谱进行对比，表明该方法是有效的。Mika(2003)在基于名义应力和热点应力的焊接多轴疲劳寿命评估的博士论文中主要考虑了不同焊接接头形式的多轴疲劳。焊接结构的损伤参数主要以主应力范围、最大剪应力范围和修改的临界面模型为主进行寿命分析。Shinichi CHIBA， Kimihiko AOYAMA 和 K
14、enji YANBU(2003)以卡车司机室为例，介绍了通过多体动力学仿真获得司机室输入载荷，结合有限元分析进行司机室结构疲劳寿命预测的方法。多体动力学仿真采用 ADAMS，有限元软件使用 MSC.NASTRAN，疲劳寿命预测采用 FALLANCS 软件等。得出的结论是考虑弹性体模型的多体仿真结果可以使得司机室的输入载荷具备足够精度，并且基于多体仿真结果的应力历程可以使用在点焊和非点焊区域。Sung I1 SEO，Choon PARK，Ki Hwan KIM (2005)主要对某型铝合金地铁车辆的车体的结构疲劳进行动载荷试验研究，建立了一种地铁车辆的车体动载荷测试方法。得出的结论是直接利用结构
15、静强度测试结果研究车体结构疲劳结果是不准确的，应该采用动载荷测试方法。阿久津胜则等(1994)在混合结构车体强度评价试验中主要对车体在垂直静载下的疲劳强度试验做了研究。具体方法是除了在车体上施加标准设计条件下的垂直静载荷外，同时考虑运行时车体上下振动等因素引起的相当于 0.98 m/s2 加速度的动态垂直交变载荷。疲劳强度的评价标准是以疲劳试验前后所进行的静载荷试验测定的应力、车体挠度和用重锤落下法确定的车体垂直弯曲固有振动频率的变化情况来判定。从上述文献可以发现，目前国外对一些复杂结构，尤其车辆结构(包括铁路和公路) 的疲劳研究发展趋势主要是利用多体动力学仿真和有限元分析相结合的方法，从时域
16、或频域的角度研究其疲劳寿命，然后通过试验手段验证其方法的有效性以及在车辆结构设计的早期阶段利用仿真的手段部分代替疲劳试验。这也说明利用多体动力学仿真和有限元方法相结合的手段可以有效地预测结构疲劳特性。4.2 国内研究现状及发展国内机车车辆结构疲劳研究状况和国外相比依然有很大的差距，疲劳研究的重点也主要停留在一些关键结构零部件，如转向架构架，车轴等的抗疲劳设计上。一般使用常规无限寿命设计方法对零部件危险点或危险截面进行疲劳强度校核，以计算获得的安全系数是否小于许用安全系数，作为结构疲劳强度满足与否的重要判断依据。下面结合相关文献对国内疲劳的研究状况进行简单的论述：北京交通大学缪龙秀、孙守光、吕澎民等对提速客车转向架焊接构架应力谱的测试方法，疲劳危险部位的确定及应力谱编制方法等进行了系统研究。吕澎民等根据概率统计理论以及疲劳损伤原理，建立了结构在随机载荷谱的作用下可靠性疲劳寿命的计算方法，利用实际测量的程序载荷谱和焊接接头疲劳试验数据，对构架进行了实例计算，并将恒幅载荷下的计算结果对焊接转向架结构可靠性疲劳寿命的预估方法进行了深入的研究。刘志
