基于频域法的高速列车转向架附属设备随机振动疲劳寿命评估方法研究

近年来，基于频域法的随机振动疲劳寿命评估方法因具有简洁性和计算高效性的优点而被广泛运用到实际工程中。但是频域法模型的种类繁多，在相同的应力功率谱下使用不同频域法模型得到的疲劳结果有很大差异，因此，对某一结构在特定载荷和响应谱条件下的频域法模型进行研究是极具意义的。文章以高速列车转向架的附属设备作为研究载体，基于IEC 61373:2010标准，运用雨流循环计数法和傅里叶逆变化时域模拟方法，提出了一种适用于转向架附属设备的随机振动疲劳寿命频域法计算模型。设置了3组加速度功率谱载荷下的随机振动疲劳试验，将各种频域法模型计算得到的疲劳寿命和试验寿命进行了对比。结果表明，文章所提出的模型计算疲劳寿命与随机振动疲劳寿命试验值的误差最小，验证了常用频域法模型和文章提出的频域法模型的准确性和有效性。     

基于等效结构应力的地铁车辆焊接构架疲劳寿命分析

文章针对地铁车辆焊接构架焊接部位的疲劳失效问题,首先建立构架有限元模型,选取5条危险焊缝,按照疲劳试验的载荷计算得到焊缝结构应力分布特点,其中焊缝最大等效结构应力点为77.5 MPa;然后根据结构应力法中98％可靠度,-2σ应力水平下的S-N曲线计算焊缝疲劳寿命,5条焊缝的累积损伤均小于1,满足疲劳设计寿命要求;最后使...     

出口缅甸3B_0机车焊接构架疲劳寿命预测

为了对出口缅甸3B_0机车转向架焊接构架的疲劳寿命进行预测,采用有限元方法对构架在不同疲劳载荷下的应力状态进行分析,确定了箱体梁中主焊缝的多种疲劳应力范围。基于IIW标准和相关文献中焊接接头疲劳寿命数据确定了评估焊接构架的多条S-N曲线方程,在此基础上采用整体名义应力法和局部缺口应力法计算了关键主焊缝的寿命次数。结果表明:所有焊缝的寿命次数均大于2×10~6次,满足轨道车辆焊接接头设计标准要求;其中构架侧梁T型角接头在垂向动载作用下寿命较低,应通过焊缝磨削处理降低其应力集中程度。由于名义应力法分析结果较缺口应力法更为保守,从结构轻量化和局部优化角度出发,采用局部缺口应力进行焊接结构疲劳寿命预测更具有优势。     

基于频域结构应力法的牵引电机结构振动疲劳分析

牵引电机是动车组动力输出的核心部件.近年来,随着我国动车组运行速度的不断提升,激励载荷频率也随之提高.为保证产品设计的可靠性,牵引电机焊接结构在高频载荷激励条件下的疲劳性能亟待研究.为研究某转向架的侧悬挂式牵引电机结构焊缝疲劳,引入频域结构应力法,设计相关焊接小试件,采用直耦式电动振动试验系统,基于IEC 61373标...     

变幅多轴应力状态的等效变程计数法

高周变幅多轴随机载荷下的疲劳寿命预测是一种非常复杂的问题,其中应力谱的可靠性是关键之一, 而应力谱又与所采用的计数法息息相关。通过定义主应力角及主应力比,研究了变幅多轴应力状态的多轴特征 图;提出了一种基于临界面概念的等效变程计数法,分析比较了用该方法与传统雨流计数法进行焊接构架寿命 计算的结果。     

基于主S-N曲线方法的冷却单元支架随机振动疲劳分析

IEC 61373标准规定轨道车辆安装设备应当进行模拟长寿命随机振动条件的疲劳评估。为了克服名义应力方法在确定接头疲劳等级时具有较强的人为随意性的缺点，文章首次将主S-N曲线与Steinberg三区间法相结合，对时速350 km标准动车组牵引变流器冷却单元支架结构的关键焊接接头进行了随机振动疲劳数值分析。计算结果表明，冷却单元支架的最大疲劳损伤为0.863,位于立柱与小横梁之间的焊接接头，疲劳强度满足要求。通过分析多条典型焊缝发现，焊缝疲劳损伤主要由单一方向的振动工况主导，并且低频模态的贡献较大。文章提出的评估流程充分利用了上述2种方法的优点，可以对焊接接头进行可靠的疲劳评估，可为结构设计方案的确认提供理论依据。     

钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展

在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法.等效结构应力法考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S-N曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测.通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时.     

货车三轴转向架焊接构架抗疲劳设计

对比分析了国内外焊接构架设计标准,指出ASME标准中的主S-N曲线法是复杂焊接结构焊接接头应力集中分析与疲劳寿命预测的科学方法。采用该方法和TSI中的疲劳载荷对某货车三轴转向架焊接构架焊接接头应力集中进行了分析,结果表明,构架侧梁、心盘梁和横梁内的加强筋板与焊缝的相交处是焊接接头应力集中的主要发生部位。以降低焊缝应力集中为结构设计改进思路,对构架重新进行了设计,改进方案构架焊缝的应力集中得到相当大的缓解,应力幅值最大降低了75MPa,疲劳加载3个阶段焊缝的累积损伤均小于0.25。     

高速列车弹性车体随机疲劳的频域仿真分析

基于虚拟激励法原理,建立了车体疲劳强度分析的频域仿真方法,将平稳随机振动分析转化为常规简谐振动分析,精确、高效地获得危险点的随机动应力功率谱响应,并进一步运用频域疲劳损伤模型进行车体局部结构疲劳寿命评估。     

撒砂装置振动疲劳寿命评估研究

在轨道车辆实际运营过程中，经过准静态疲劳校核后的结构会出现由于随机振动疲劳而导致结构失效的现象。基于此，文章以动车组撒砂装置为例，分别基于标准IEC 61373中定义的各方向轴箱加速度功率谱和基于实测数据的考虑多特征频带的平直谱作为载荷输入，结合时域法、Dirlik法、Lalanne法、Rayleigh法和Zhao-Baker法对动车组撒砂装置振动疲劳寿命进行了评估。结果表明，在4种频域法结构损伤的计算结果中，Zhao-Baker法和Dirlik法与时域法损伤计算结果较为接近，而Lalanne法和Rayleigh法相差较大，说明Zhao-Baker法和Dirlik法对撒砂装置结构损伤计算较为准确，可以用于动车组撒砂装置的随机振动疲劳研究。另外，相比实测线路数据，标准IEC 61373中定义的功率谱高估了低频范围的撒砂装置服役载荷幅值水平，而忽略了大于500 Hz频率范围对撒砂装置疲劳强度的影响。     

焊接缺陷对动车组铝合金车体疲劳寿命影响研究

由铝合金型材焊接而成的高速列车车体,如考虑焊缝处初始焊接缺陷的存在,将造成焊缝质量等级的不同,进而造成其抗疲劳能力产生差异。为寻求在设计阶段能较准确地预测含初始焊接缺陷的动车组车体疲劳寿命的评估方法,通过试验获得3种含初始焊接缺陷试件的疲劳寿命数据,并基于美国ASME(2007)标准中的结构应力法计算出含不同焊接缺陷试件疲劳寿命的"等效初始裂纹";建立包括焊缝在内的动车组车体有限元模型,并依据BS EN12663-1:2010标准的加载方式,基于等效结构应力法和Miner线性累积疲劳损伤理论,预测车体关键焊缝的疲劳寿命;根据反求出来的等效裂纹对模型进行修正,研究初始焊接缺陷的存在对车体疲劳寿命的影响。     

高速动车组角焊缝应力集中的识别方法

针对高速动车组焊接构架角焊缝处应力集中无法采用名义应力法识别的问题,基于结构应力法,将角焊缝焊趾处的非线性应力分解为满足外载荷平衡的结构应力和自平衡的缺口应力,然后根据力的平衡方程得到各节点力及其力矩与线力及其线力矩间的对应关系,进而推导出结构应力的计算公式,并给出角焊缝应力集中识别流程;基于所给出的算法和识别流程,采用C/C++以及ANSYS软件提供的APDL语言开发出焊接结构应力识别专用软件WSS,对某高速动车组焊接构架上诸多角焊缝应力集中进行识别,验证了基于结构应力的角焊缝应力集中识别方法不仅能给出应力集中的具体位置,还能给出具体的应力峰值及其对应的疲劳寿命,可用于优化高速动车组焊接构架的抗疲劳设计。     

转向架构架焊缝疲劳寿命评估的等效热点应力法

等效热点应力法是焊接结构疲劳可靠性分析的一种新算法,已经在小试件上获得了成功应用,在轨道车辆转向架构架这种大型焊接结构上还未见应用,文中将该算法应用于高速转向架构架上。通过建立某高速转向架构架的精细有限元模型,采用等效热点应力法计算转向架构架上若干关键焊缝的节点应力以及疲劳寿命,并与厚度方向积分热点应力法作比较。等效热点应力法具有计算简单,计算结果准确,效率高的特点,能够很好的应用于转向架构架这种大型焊接结构的疲劳寿命评估和结构设计。     

变流器柜体随机振动疲劳分析

当受到动态载荷时,结构易出现振动疲劳现象,需采用频域疲劳分析手段来考虑结构的动态响应。以某变流器为研究对象,对变流器柜体有限元模型进行频率响应分析,以获得输入和结构应力之间的传递函数;根据频率响应分析结果及标准GB/T 21563-2008《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》规定的ASD(加速度频谱密度)谱,进行频域的随机振动疲劳寿命预估。通过仿真成功地分析了振动试验中出现的问题,验证了仿真结果的准确性。     

基于等效结构应力法的焊接构架疲劳损伤评估

针对在线路运营过程中某型焊接构架横、侧梁连接处多次出现疲劳裂纹的问题,建立包括3条关键焊缝在内的焊接构架有限元模型,利用等效结构应力法对构架关键部位进行疲劳损伤评估,并与构架线路动应力试验进行对比分析。结果表明:等效结构应力法具有网格不敏感特性;仿真分析得到了焊接构架关键焊缝的应力分布特征,3条关键焊缝处的最大等效结构应力分别为125.1、103.0、167.4MPa,计算得到其疲劳损伤值分别为2.13、1.16、5.30,均大于损伤值0.5;构架线路动应力试验得到的各关键测点疲劳损伤值与等效结构应力法的计算结果较为吻合,验证了等效结构应力法在焊接构架疲劳损伤评估时的有效性和可靠性。     

考虑疲劳损伤约束的车辆焊接结构轻量化设计

针对车辆焊接结构轻量化与疲劳寿命问题,提出考虑焊缝疲劳损伤约束的轻量化设计方法.采用国际焊接学会(IIW)的焊接接头与部件的疲劳设计评估标准,基于迈纳尔损伤累积理论,预测焊缝的疲劳累积损伤;以结构质量最小为目标,在应力、位移等常规约束基础上,加入焊缝疲劳累积损伤约束,建立了车辆焊接结构的轻量化模型.研究基于有限元分析的结构轻量化优化设计策略,采用试验设计方法对设计空间合理抽样,以样本数据建立近似响应模型,采用数值优化算法寻优,提高复杂工程问题优化计算的效率.利用该方法对某焊接构架进行了考虑焊缝疲劳损伤约束的轻量化设计,采用均匀设计法对14个设计变量进行50次试验,以样本数据及响应值建立径向基神经网络近似模型,采用序列二次规划算法进行优化设计,质量减轻12.5%.对实例的计算证明该方法的可行性与实用性.     

基于线路实测载荷谱的转向架部件振动疲劳分析

为分析轨道交通车辆转向架零部件疲劳断裂的原因,基于某地铁车辆线路试验数据,以转向架实测谱为输入激励,使用频域疲劳分析方法对部件进行振动疲劳寿命分析,同时也采用实测应力进行寿命分析,并与频域疲劳分析方法做对比。其中,分析了正常与异常载荷谱对部件疲劳的影响,探讨转向架零部件结构疲劳失效原因,分析结果可供相关设计与优化参考。     

随机振动疲劳分析方法在高速铁路车辆上的应用

铁路车辆转向架上的某些零部件受到的随机振动激扰易引发结构共振而导致疲劳破坏,这种振动疲劳与结构动力学、随机振动和疲劳损伤理论都密切相关。文章依据武广线上实测的加速度激励谱,根据Dirlik模型对某高速动车组辅助安装座进行了随机振动疲劳评估,找到了结构的薄弱位置,其疲劳寿命满足2000万km的运营要求。频域振动疲劳分析方法考虑了结构的动态响应,可以用.于高速动车组转向架零部件结构的疲劳评估。     

铁路货车制动管焊接残余应力测试与焊接组装工艺改进

应用钻孔法对脱轨阀制动管进行了焊接残余应力测试，测试结果表明原焊接工艺条件下，由于制动管管身端部在焊接热的作用下伸长变形受到限制，加剧了焊缝处的径向收缩变形，导致焊趾处产生较大的残余拉应力，在外载荷的二次应力作用下，制动管焊趾处承受了较大的拉应力，增加了制动管焊缝处的疲劳破坏几率。通过对焊接组装工艺改进，降低了制动管焊后焊趾处的残余拉应力，可有效提高制动管疲劳寿命。     

高速列车转向架构架结构的疲劳可靠性模型

为了准确评估高速列车转向架构架的疲劳可靠性,通过转向架构架相同材料焊缝结构的多级小样本疲劳试验数据,得到指定寿命下疲劳强度分布的概率密度函数;采用双参数雨流计数法,根据实测构架结构的复杂随机应力—时间历程曲线编制构架的应力谱,再按照Miner准则和疲劳损伤等效原则计算对应的恒幅对称循环等效应力,并由此拟合得到高速列车服役寿命下等效应力分布的概率密度函数;根据得到的构架疲劳强度分布函数和等效应力分布函数,以等效应力小于疲劳强度为疲劳破坏判据,建立高速列车转向架构架的等效应力—疲劳强度可靠性模型。以某型高速列车转向架构架横侧梁连接处为对象,基于焊接结构疲劳试验和长期跟踪测试试验数据,对模型进行验证。结果表明:模型可用于评估构架的疲劳可靠性,可为焊接构架结构的进一步优化及全寿命周期管理提供依据;该型高速列车转向架的构架结构在1 200万km总运行里程的服役寿命下,其可靠度达99.36%,安全系数较高。