摘 要：針對(duì)機(jī)車車輛線路動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)，基于疲勞強(qiáng)度評(píng)定和疲勞壽命預(yù)測(cè)理論，開發(fā)出了一套試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件。運(yùn)用雨流計(jì)數(shù)法的循環(huán)計(jì)數(shù)算法，滿足了線路動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的需求；介紹了軟件的基本結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理流程。軟件已在多次線路動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中得到應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果可靠。

關(guān)鍵詞：動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)；疲勞強(qiáng)度；雨流計(jì)數(shù)法

1 引言

隨著列車營(yíng)運(yùn)速度的不斷提高，在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，機(jī)車車輛關(guān)鍵零部件的疲勞問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，個(gè)別部位或結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題還相當(dāng)突出，嚴(yán)重威脅行車安全。

疲勞破壞是指材料在低于拉伸強(qiáng)度極限的交變應(yīng)力（或應(yīng)變）的反復(fù)作用下、發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展并導(dǎo)致突然斷裂的失效方式[1]。為了防止這種破壞的發(fā)生，必須對(duì)機(jī)車車輛進(jìn)行定期的疲勞強(qiáng)度評(píng)定和疲勞壽命預(yù)測(cè)。

目前，對(duì)車輛在實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的關(guān)鍵位置進(jìn)行線路動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)是車輛疲勞強(qiáng)度評(píng)定和疲勞壽命預(yù)測(cè)的有效手段。但線路動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)量巨大，如何快速有效的對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠分析，才是實(shí)驗(yàn)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，開發(fā)出一套適合試驗(yàn)需要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件是一項(xiàng)具有實(shí)際意義的工作。

2 動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)

動(dòng)應(yīng)力測(cè)試是工程機(jī)械中常用的測(cè)試手段，主要用于分析構(gòu)件的強(qiáng)度問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外一般采用電阻應(yīng)變測(cè)量法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)粘貼應(yīng)變片測(cè)得該點(diǎn)的應(yīng)變值，然后經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算方法得出該點(diǎn)的應(yīng)力值。

實(shí)驗(yàn)采用DDS32數(shù)字式動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行全程采集。該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的DDS數(shù)據(jù)采集儀器，主要用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)測(cè)量，通過(guò)高速USB2.0接口與電腦有機(jī)集成為一體，完美實(shí)現(xiàn)了精密μV級(jí)信號(hào)調(diào)理，高速、高精度數(shù)據(jù)采集，具有超小型化﹑數(shù)字化﹑網(wǎng)絡(luò)化﹑軟件化的特點(diǎn)，同時(shí)具有很高的可靠性。將電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，電阻應(yīng)變計(jì)的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，利用電阻應(yīng)變儀將此電阻的變化測(cè)定出來(lái)，再換算成應(yīng)變值，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來(lái)，進(jìn)行強(qiáng)度理論計(jì)算[2]。

實(shí)驗(yàn)采用的應(yīng)變片分為單向和三向兩種，量程都為10000 ，精度等級(jí)都為0.1%。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用Delphi和Matlab混合編程，Delphi是可視化開發(fā)工具，擁有快速的編譯器和豐富的組件集以及強(qiáng)大的代碼自動(dòng)生成功能和豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，使用它的集成開發(fā)環(huán)境可以快速建立應(yīng)用程序；Matlab具有相當(dāng)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)分析、圖形顯示等功能。綜合兩種語(yǔ)言的特點(diǎn)采用混合編程，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使軟件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔優(yōu)化。

本軟件主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理兩部分?；跀?shù)據(jù)采集儀器的特點(diǎn)，原始數(shù)據(jù)常常需要經(jīng)過(guò)分割、連接等才能進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，所以，數(shù)據(jù)預(yù)處理部分包含了數(shù)據(jù)分割、數(shù)據(jù)連接，以及常規(guī)的測(cè)試信號(hào)處理手段，包括零漂處理，異常點(diǎn)處理、去均值、數(shù)據(jù)修正、原始數(shù)據(jù)查看以及濾波等功能。動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊主要集成了兩個(gè)主要的算法，循環(huán)計(jì)數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算，既可以按步驟分步進(jìn)行，也可以按流程化批處理。

軟件總體設(shè)計(jì)如圖1所示：

4 主要算法實(shí)現(xiàn)

疲勞強(qiáng)度分析軟件的主要算法包括最大主應(yīng)力計(jì)算和循環(huán)計(jì)數(shù)兩部分。

4.1 應(yīng)力計(jì)算

⑴單向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算公式：

⑵二向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算公式：

（3）三向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力及其方向角計(jì)算公式：

4.2 循環(huán)計(jì)數(shù)

循環(huán)計(jì)數(shù)法的具體方法很多，除了雨流法外，還有峰值計(jì)數(shù)法、穿級(jí)計(jì)數(shù)法、變程計(jì)數(shù)法，程峰計(jì)數(shù)法及程對(duì)計(jì)數(shù)法等[3]。由于雨流法將應(yīng)力歷程的所有循環(huán)全部記錄壞來(lái)，與材料應(yīng)力一應(yīng)變遲滯回線完全吻合，有可靠的力學(xué)基礎(chǔ)，應(yīng)用最廣泛。雨流計(jì)數(shù)法又可稱為“塔頂法”，是由英國(guó)的Matsuiski和Endo兩位工程師提出的，距今已有50多年。雨流計(jì)數(shù)法主要用于工程界，特別在疲勞壽命計(jì)算中運(yùn)用非常廣泛。

ASTM E1049-85給出了雨流計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)算法，首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行峰谷值提取，并對(duì)數(shù)據(jù)列進(jìn)行重新排序，再按以下流程進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)[4]：

⑴讀取峰值或谷值，如果數(shù)據(jù)文件結(jié)束則停止。

⑵如果少于三個(gè)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)到⑴，使用最近的三個(gè)點(diǎn)計(jì)算X和Y。

⑶比較X和Y的絕對(duì)值。如果X

⑷將Y作為一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)，丟掉組成Y的峰、谷值，轉(zhuǎn)到⑵。

5 軟件應(yīng)用及示例分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于對(duì)某地鐵車輛轉(zhuǎn)向架進(jìn)行的在線動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)儀器采用北京世紀(jì)興元科技發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DDS數(shù)據(jù)采集儀器。試驗(yàn)是在列車正常運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)測(cè)SF2100型轉(zhuǎn)向架相關(guān)部位的動(dòng)應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為在線跟蹤采集，所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都集合在一個(gè)文件。

數(shù)據(jù)處理的具體步驟如下：

⑴數(shù)據(jù)分割，將原始數(shù)據(jù)文件按通道分割（32通道），得到單通道數(shù)據(jù)文件，一個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，后綴名為dat.。

⑵數(shù)據(jù)連接，將⑴分割后得到的單通道數(shù)據(jù)按相同通道號(hào)連接成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，即得到一個(gè)測(cè)點(diǎn)的所有應(yīng)力-時(shí)間歷程數(shù)據(jù)。

⑶動(dòng)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)分析，包括最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、均值、幅值、一維應(yīng)力譜、二維應(yīng)力譜。

⑷利用⑶處理得到的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、均值結(jié)果對(duì)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行GoodMan疲勞極限線圖繪制，如圖2所示。

⑸利用⑶處理得到的二維應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的二維應(yīng)力譜，如圖3所示。

⑹利用⑶處理得到的二維應(yīng)力統(tǒng)計(jì)譜對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。

根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

⑴在構(gòu)架主結(jié)構(gòu)上、齒輪箱吊桿部位、齒輪箱箱體及其鑄造的支座體上最大主應(yīng)力均未超過(guò)運(yùn)行條件下相應(yīng)材料的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，且有足夠的安全裕量。

⑵從GOODMAN圖的評(píng)判結(jié)果來(lái)看，所有測(cè)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度均滿足要求，所有測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命均為無(wú)限壽命。

⑶在轉(zhuǎn)向架的所有測(cè)點(diǎn)中，應(yīng)力較大的地方集中在齒輪箱支座上部圓弧過(guò)渡處和側(cè)梁中間上蓋板外圓弧過(guò)渡處。

6 結(jié)論

⑴開發(fā)了一套交互性好、可移植性強(qiáng)的線路動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件，闡述了軟件總體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理流程，為類似軟件的開發(fā)提供一定的借鑒。

⑵解決了海量數(shù)據(jù)的雨流計(jì)數(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題，提高了線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的效率。為及時(shí)掌握運(yùn)營(yíng)車輛的疲勞安全狀況提供快速的計(jì)算工具。

⑶通過(guò)在多條線路試驗(yàn)中應(yīng)用，證明軟件的計(jì)算結(jié)果較為可靠，使用方便。

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