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摘 要：针对机车车辆线路动应力试验，基于疲劳强度评定和疲劳寿命预测理论，开发出了一套试验数据处理软件。运用雨流计数法的循环计数算法，满足了线路动应力实验对海量数据进行计数的需求；介绍了软件的基本结构和数据处理流程。软件已在多次线路动应力实验数据处理中得到应用，计算结果可靠。
关键词：动应力实验；疲劳强度；雨流计数法
1 引言
随着列车营运速度的不断提高，在营运过程中，机车车辆关键零部件的疲劳问题时有发生，个别部位或结构的疲劳问题还相当突出，严重威胁行车安全。
疲劳破坏是指材料在低于拉伸强度极限的交变应力（或应变）的反复作用下、发生裂纹萌生和扩展并导致突然断裂的失效方式[1]。为了防止这种破坏的发生，必须对机车车辆进行定期的疲劳强度评定和疲劳寿命预测。
目前，对车辆在实际运营环境下的关键位置进行线路动应力试验是车辆疲劳强度评定和疲劳寿命预测的有效手段。但线路动应力实验所采集的数据量巨大，如何快速有效的对所得数据进行可靠分析，才是实验需要解决的关键问题。因此，开发出一套适合试验需要的试验数据处理软件是一项具有实际意义的工作。
2 动应力实验
动应力测试是工程机械中常用的测试手段，主要用于分析构件的强度问题。目前，国内外一般采用电阻应变测量法进行应力测试，通过粘贴应变片测得该点的应变值，然后经过一定的计算方法得出该点的应力值。
实验采用DDS32数字式动态信号采集系统对各个测点的应变信号进行全程采集。该系统是国内广泛应用的DDS数据采集仪器，主要用于动态应变信号测量，通过高速USB2.0接口与电脑有机集成为一体，完美实现了精密μV级信号调理，高速、高精度数据采集，具有超小型化﹑数字化﹑网络化﹑软件化的特点，同时具有很高的可靠性。将电阻应变计粘贴在被测构件上，当构件变形时，电阻应变计的电阻值将发生相应的变化，利用电阻应变仪将此电阻的变化测定出来，再换算成应变值，由数据采集系统记录下来，进行强度理论计算[2]。
实验采用的应变片分为单向和三向两种，量程都为10000 ，精度等级都为0.1%。
3 软件设计
软件采用Delphi和Matlab混合编程，Delphi是可视化开发工具，拥有快速的编译器和丰富的组件集以及强大的代码自动生成功能和丰富的数据库管理工具，使用它的集成开发环境可以快速建立应用程序；Matlab具有相当强大的数值计算、数据处理、系统分析、图形显示等功能。综合两种语言的特点采用混合编程，可以充分发挥各自的优点，使软件设计更简洁优化。
本软件主要分为数据预处理和动应力实验数据处理两部分。基于数据采集仪器的特点，原始数据常常需要经过分割、连接等才能进行强度计算分析，所以，数据预处理部分包含了数据分割、数据连接，以及常规的测试信号处理手段，包括零漂处理，异常点处理、去均值、数据修正、原始数据查看以及滤波等功能。动应力实验数据处理模块主要集成了两个主要的算法，循环计数和强度计算，既可以按步骤分步进行，也可以按流程化批处理。
软件总体设计如图1所示：
4 主要算法实现
疲劳强度分析软件的主要算法包括最大主应力计算和循环计数两部分。
4.1 应力计算
⑴单向应变片测点应力计算公式：
⑵二向应变片测点主应力计算公式：
（3）三向应变片测点主应力及其方向角计算公式：
4.2 循环计数
循环计数法的具体方法很多，除了雨流法外，还有峰值计数法、穿级计数法、变程计数法，程峰计数法及程对计数法等[3]。由于雨流法将应力历程的所有循环全部记录坏来，与材料应力一应变迟滞回线完全吻合，有可靠的力学基础，应用最广泛。雨流计数法又可称为“塔顶法”，是由英国的Matsuiski和Endo两位工程师提出的，距今已有50多年。雨流计数法主要用于工程界，特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。
ASTM E1049-85给出了雨流计数的标准算法，首先对采集的数据进行峰谷值提取，并对数据列进行重新排序，再按以下流程进行循环计数[4]：
⑴读取峰值或谷值，如果数据文件结束则停止。
⑵如果少于三个点，则转到⑴，使用最近的三个点计算X和Y。
⑶比较X和Y的绝对值。如果X ⑷将Y作为一个计数循环，丢掉组成Y的峰、谷值，转到⑵。
5 软件应用及示例分析
试验数据来源于对某地铁车辆转向架进行的在线动应力测试结果。实验仪器采用北京世纪兴元科技发展有限责任公司生产的DDS数据采集仪器。试验是在列车正常运行状态下，实测SF2100型转向架相关部位的动应力，实验数据为在线跟踪采集，所有测点的数据都集合在一个文件。
数据处理的具体步骤如下：
⑴数据分割，将原始数据文件按通道分割（32通道），得到单通道数据文件，一个通道对应一个测点，后缀名为dat.。
⑵数据连接，将⑴分割后得到的单通道数据按相同通道号连接成一个数据文件，即得到一个测点的所有应力-时间历程数据。
⑶动应力测试数据分析，包括最大主应力、最小主应力、均值、幅值、一维应力谱、二维应力谱。
⑷利用⑶处理得到的最大主应力、最小主应力、均值结果对对应测点进行GoodMan疲劳极限线图绘制，如图2所示。
⑸利用⑶处理得到的二维应力统计结果绘制对应测点的二维应力谱，如图3所示。
⑹利用⑶处理得到的二维应力统计谱对测点进行疲劳寿命评估。
根据软件计算结果，得出以下结论：
⑴在构架主结构上、齿轮箱吊杆部位、齿轮箱箱体及其铸造的支座体上最大主应力均未超过运行条件下相应材料的许用应力标准，且有足够的安全裕量。
⑵从GOODMAN图的评判结果来看，所有测点的疲劳强度均满足要求，所有测点的疲劳寿命均为无限寿命。
⑶在转向架的所有测点中，应力较大的地方集中在齿轮箱支座上部圆弧过渡处和侧梁中间上盖板外圆弧过渡处。
6 结论
⑴开发了一套交互性好、可移植性强的线路动应力实验数据处理软件，阐述了软件总体结构和数据处理流程，为类似软件的开发提供一定的借鉴。
⑵解决了海量数据的雨流计数等关键问题，提高了线路试验数据处理的效率。为及时掌握运营车辆的疲劳安全状况提供快速的计算工具。
⑶通过在多条线路试验中应用，证明软件的计算结果较为可靠，使用方便。
[参考文献]
[1]喻平志，孙守光.转向架构架动应力解耦分析[J].北京交通大学学报，2000，24（4）：24-28.
[2]刘志如，王春耀.基于VC++的悬挂架动应力测试数据的处理研究[J].农机化研究，2008.
[3]计欣华，邓宗白，鲁阳.工程实验力学[M].北京：机械工业出版社，2005.
[4]唐兆.机车车辆疲劳强度仿真分析平台研究[D].西南交通大学.2006.
关键词：动应力实验；疲劳强度；雨流计数法
1 引言
随着列车营运速度的不断提高，在营运过程中，机车车辆关键零部件的疲劳问题时有发生，个别部位或结构的疲劳问题还相当突出，严重威胁行车安全。
疲劳破坏是指材料在低于拉伸强度极限的交变应力（或应变）的反复作用下、发生裂纹萌生和扩展并导致突然断裂的失效方式[1]。为了防止这种破坏的发生，必须对机车车辆进行定期的疲劳强度评定和疲劳寿命预测。
目前，对车辆在实际运营环境下的关键位置进行线路动应力试验是车辆疲劳强度评定和疲劳寿命预测的有效手段。但线路动应力实验所采集的数据量巨大，如何快速有效的对所得数据进行可靠分析，才是实验需要解决的关键问题。因此，开发出一套适合试验需要的试验数据处理软件是一项具有实际意义的工作。
2 动应力实验
动应力测试是工程机械中常用的测试手段，主要用于分析构件的强度问题。目前，国内外一般采用电阻应变测量法进行应力测试，通过粘贴应变片测得该点的应变值，然后经过一定的计算方法得出该点的应力值。
实验采用DDS32数字式动态信号采集系统对各个测点的应变信号进行全程采集。该系统是国内广泛应用的DDS数据采集仪器，主要用于动态应变信号测量，通过高速USB2.0接口与电脑有机集成为一体，完美实现了精密μV级信号调理，高速、高精度数据采集，具有超小型化﹑数字化﹑网络化﹑软件化的特点，同时具有很高的可靠性。将电阻应变计粘贴在被测构件上，当构件变形时，电阻应变计的电阻值将发生相应的变化，利用电阻应变仪将此电阻的变化测定出来，再换算成应变值，由数据采集系统记录下来，进行强度理论计算[2]。
实验采用的应变片分为单向和三向两种，量程都为10000 ，精度等级都为0.1%。
3 软件设计
软件采用Delphi和Matlab混合编程，Delphi是可视化开发工具，拥有快速的编译器和丰富的组件集以及强大的代码自动生成功能和丰富的数据库管理工具，使用它的集成开发环境可以快速建立应用程序；Matlab具有相当强大的数值计算、数据处理、系统分析、图形显示等功能。综合两种语言的特点采用混合编程，可以充分发挥各自的优点，使软件设计更简洁优化。
本软件主要分为数据预处理和动应力实验数据处理两部分。基于数据采集仪器的特点，原始数据常常需要经过分割、连接等才能进行强度计算分析，所以，数据预处理部分包含了数据分割、数据连接，以及常规的测试信号处理手段，包括零漂处理，异常点处理、去均值、数据修正、原始数据查看以及滤波等功能。动应力实验数据处理模块主要集成了两个主要的算法，循环计数和强度计算，既可以按步骤分步进行，也可以按流程化批处理。
软件总体设计如图1所示：
4 主要算法实现
疲劳强度分析软件的主要算法包括最大主应力计算和循环计数两部分。
4.1 应力计算
⑴单向应变片测点应力计算公式：
⑵二向应变片测点主应力计算公式：
（3）三向应变片测点主应力及其方向角计算公式：
4.2 循环计数
循环计数法的具体方法很多，除了雨流法外，还有峰值计数法、穿级计数法、变程计数法，程峰计数法及程对计数法等[3]。由于雨流法将应力历程的所有循环全部记录坏来，与材料应力一应变迟滞回线完全吻合，有可靠的力学基础，应用最广泛。雨流计数法又可称为“塔顶法”，是由英国的Matsuiski和Endo两位工程师提出的，距今已有50多年。雨流计数法主要用于工程界，特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。
ASTM E1049-85给出了雨流计数的标准算法，首先对采集的数据进行峰谷值提取，并对数据列进行重新排序，再按以下流程进行循环计数[4]：
⑴读取峰值或谷值，如果数据文件结束则停止。
⑵如果少于三个点，则转到⑴，使用最近的三个点计算X和Y。
⑶比较X和Y的绝对值。如果X
5 软件应用及示例分析
试验数据来源于对某地铁车辆转向架进行的在线动应力测试结果。实验仪器采用北京世纪兴元科技发展有限责任公司生产的DDS数据采集仪器。试验是在列车正常运行状态下，实测SF2100型转向架相关部位的动应力，实验数据为在线跟踪采集，所有测点的数据都集合在一个文件。
数据处理的具体步骤如下：
⑴数据分割，将原始数据文件按通道分割（32通道），得到单通道数据文件，一个通道对应一个测点，后缀名为dat.。
⑵数据连接，将⑴分割后得到的单通道数据按相同通道号连接成一个数据文件，即得到一个测点的所有应力-时间历程数据。
⑶动应力测试数据分析，包括最大主应力、最小主应力、均值、幅值、一维应力谱、二维应力谱。
⑷利用⑶处理得到的最大主应力、最小主应力、均值结果对对应测点进行GoodMan疲劳极限线图绘制，如图2所示。
⑸利用⑶处理得到的二维应力统计结果绘制对应测点的二维应力谱，如图3所示。
⑹利用⑶处理得到的二维应力统计谱对测点进行疲劳寿命评估。
根据软件计算结果，得出以下结论：
⑴在构架主结构上、齿轮箱吊杆部位、齿轮箱箱体及其铸造的支座体上最大主应力均未超过运行条件下相应材料的许用应力标准，且有足够的安全裕量。
⑵从GOODMAN图的评判结果来看，所有测点的疲劳强度均满足要求，所有测点的疲劳寿命均为无限寿命。
⑶在转向架的所有测点中，应力较大的地方集中在齿轮箱支座上部圆弧过渡处和侧梁中间上盖板外圆弧过渡处。
6 结论
⑴开发了一套交互性好、可移植性强的线路动应力实验数据处理软件，阐述了软件总体结构和数据处理流程，为类似软件的开发提供一定的借鉴。
⑵解决了海量数据的雨流计数等关键问题，提高了线路试验数据处理的效率。为及时掌握运营车辆的疲劳安全状况提供快速的计算工具。
⑶通过在多条线路试验中应用，证明软件的计算结果较为可靠，使用方便。
[参考文献]
[1]喻平志，孙守光.转向架构架动应力解耦分析[J].北京交通大学学报，2000，24（4）：24-28.
[2]刘志如，王春耀.基于VC++的悬挂架动应力测试数据的处理研究[J].农机化研究，2008.
[3]计欣华，邓宗白，鲁阳.工程实验力学[M].北京：机械工业出版社，2005.
[4]唐兆.机车车辆疲劳强度仿真分析平台研究[D].西南交通大学.2006.