进行零部件疲劳寿命预测时，可靠的材料疲劳性能数据是必需的，另外获得准确的实际运行工况下的道路输入载荷也非常关键。
本文以汽车转向机拉杆为例，通过在试车场内的不同道路上采集到的零部件的实际载荷历程，运用应力寿命法对其进行疲劳寿命预测分析，为车辆的合理与安全使用提供保障。
1.S-N曲线
在零部件疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命。表示这种应力（应变）水平S和标准试样疲劳寿命N之间关系的曲线称为材料的S-N曲线。
试样的疲劳寿命取决于材料的力学性能和施加的应力水平。一般说来，材料的强度极限愈高，外加的应力水平愈低，试样的疲劳寿命就愈长。对于钢材，应力幅S和疲劳寿命N的对数值之间的关系近似地为直线或折线，如图1所示。
图1材料的S-N曲线
2.基于应力的疲劳寿命
这个方法也被称为应力寿命法或者S-N法，其典型的S-N曲线公式：
Sa=S′f(2Nf)b
其中b是疲劳强度指数，S′f是疲劳强度系数，Sa是疲劳寿命，Nf是疲劳破坏时的循环数。
（1）应力寿命法
1）在有限寿命区域分析疲劳数据，可通过最小二乘法拟合出S-N曲线，其假设疲劳寿命是由服从对数正态分布的应力得出的，而且其在整个测试范围内的变化量是恒定的，也就是指统计意义上的同方差性。
2）在有限寿命区域设计S-N曲线，S-N曲线的设计主要要保证在给定的疲劳强度水平下所得到的最小疲劳寿命在最小值或者下限值之上。
（2）基于部件极限拉伸强度的S-N曲线估计
在没有有效的S-N实验数据的情况下，对于设计来说，部件S-N曲线的估计方法就尤其的重要。一般可以通过标准件来估计出S-N曲线。
1）1000个应力循环下的疲劳强度估计
S1000，R=S1000×CR
CR是某一个特定的可靠性水平下的修正参数，S1000是不同类型载荷在1000次应力循环下的基准疲劳强度，S1000，R是可靠性修正参数，基于1000次循环的疲劳强度。
2）疲劳极限的估计
Se,R=Sbe×CL×CS×CD×CR
Sbe是弯曲疲劳极限，CL载荷类型参数，CS表面处理参数，CD尺寸参数，CR可靠性水平参数。
材料的疲劳性能，只能反映光滑试件抵抗疲劳破坏的能力，而要作为寿命估算的依据，必须得到具体构件的疲劳机械性能。它可以由实际构件试验而得，也可以利用材料的疲劳特性参数根据构件的形状、尺寸、表面状态、外载荷状况及构件所处的环境进行必要的修正而得出。
3.平均应力影响
M=(Se,R=?1?Se,R=0)/Se,R=0
在低的压缩平均应力水平用M2来表示，其变化范围从0到M；对于高的拉伸平均应力水平，用M3来表示，一般M3≈M/3；
图2古德曼和莫罗平均应力模型比较
图3平均应力灵敏度系数
4.线性疲劳损伤累积
1）一个循环造成的损伤：
D=1/N
式中N对应于当前载荷水平S的疲劳寿命。
2）等幅载荷下，n个循环造成的损伤：
D=n/N
变幅载荷下，n个循环造成的损伤：
式中Ni对应于当前载荷水平Si的疲劳寿命。
3）临界疲劳损伤DCR：若常幅循环载荷，当n=N时，疲劳破坏发生，得到
DCR=1
对于随机载荷，试件破坏时的临界损伤值DCR在1附近，这也是目前工程上广泛采用Miner理论的原因。
图4转向拉杆上的应变片
对于试车场内采集到的载荷谱还不能直接用来疲劳寿命计算，需要做分析处理，主要有：1消除奇异点、毛刺，2消除趋势项、漂移，3滤波处理。
奇异点是指数据中不符合变化规律的异常点。它通常是由于测量、记录、变换或传输过程中出现的干扰或偶然错误造成的，这些点的存在有时会使处理结果造成较大的误差，甚至带来严重的影响。所以，在正式数据分析之前应予以消除。
一般来说采集得到的道路谱响应信号器其频域能量主要集中在50Hz以下的低频段，因而通常对原始信号进行低通滤波处理，以过滤掉那些可能存在的高频噪声信号。通常对所得的信号进行低通滤波处理，保留信号频率50Hz以下的信息。
图5经过处理后的载荷历程
四、基于应力的疲劳寿命预测计算
根据上述的有关疲劳理论，在软件中进行疲劳寿命的预测计算。根据零部件疲劳寿命预测的几个关键因素，载荷历程，零部件材料的S-N曲线，零件的疲劳强度修正系数，平均应力的影响，以及损伤累积情况来进行疲劳寿命预测分析，综合大致的分析流程如下：
1）首先将零部件实际运行工况下的载荷谱导入到FALANCS软件界面里，并选择对应零部件的载荷通道。
2）定义构成零部件材料的S-N曲线，这里根据零件材料的情况，给出零件的抗拉强度，抗压强度，以及构成S-N曲线的主要参数，如高低周疲劳的斜率K1和K2，高低周疲劳转折时的应力S1，无限疲劳寿命下的应力SE和循环数NE等。
3）设置疲劳计算的方法参数，主要有平均应力修正系数，其中M、M3等，这些根据前述平均应力修正原则来给出，而表面处理参数可以通过查询经验图表的方法得到，尺寸修正参数可以通过库戈尔(kuguel)提出的临界容积理论中的公式，通过零件的直径计算得到。然后，设置需要计算的变量，就是零件在发生50%概率的疲劳破坏的情况下，可以承受的载荷谱循环数（Blocks）。
4）设置计算方法参数，这里根据实际情况，进行相应选择的选择。
5）选用非有限元疲劳分析，这里需要选择之前定义的零件载荷通道，通过设置标定系数，即材料的弹性模量，关键的应变-应力换算就在这里完成。这里认为零件在载荷作用下所发生的变形都为弹性变形，不考虑塑性变形的影响，因为汽车底盘零件多只考虑其弹性应变，故可以用弹性模量来将应变转换为应力。此外，继续选择材料和前面设置的疲劳计算方法参数，方可进行计算。
6）得到疲劳分析结果，如图6所示，为疲劳寿命计算结果。这里看到零件载荷的累积频次分布图，基于零件材料与诸多修正系数得出的零件的S-N曲线。在累积频次分布图上，高于零件S-N曲线的部分即就是对零件造成损伤的载荷部分，通过损伤累积分析，就可得到零件可以在该种道路组合成强化道路时所能承受的循环数（Blocks）。这里计算得出该转向拉杆所能历经的循环数为39110.3次。一般车辆在试车场内通过路段组合成的强化道路需要完成的循环数多在几百的量级，而通过模拟分析计算的准确度在5倍左右，则实际的疲劳寿命就可能在7822～195550之间，都远远大于车辆在试车场内完成的循环数，可以满足安全使用。
图6疲劳寿命计算结果
五、小结
通过以上的分析计算，得出了该零件在实际运行情况下的疲劳寿命，而在计算分析过程中，如何通过实际实验获得准确的载荷谱是关键，此外，准确的材料疲劳寿命曲线，以及诸多修正系数的准确选用也非常重要。这里只简单分析了零件单轴应力情况下的疲劳寿命情况，更加复杂受力情况下的零件的疲劳寿命预测分析值得进一步加以探究。