列车转向架数字孪生建模仿真关键技术研究

为全面推进数字列车的工程化应用,以数字转向架建设为突破点开展数字孪生建模仿真关键技术研究,实现物理实体与数字孪生体之间的虚实交融,进一步提升转向架故障诊断及健康管理的有效率和准确率。转向架数字孪生体是一个数据驱动的多学科、多物理、多尺度、高保真度的虚拟模型,模型的输入为自身结构参数、车载在线监测系统数据、车库定期检修数据等多源数据,输出为实时动态展示的动力学性能评价指标(如脱轨系数和轮重减载率)、结构强度指标(如应力和累积损伤),能反映并预测转向架全寿命周期内的动力学及强度性能,从而革新现有的转向架运营维护模式。提出一种转向架数字孪生体建设的框架结构,可实现动力学、结构强度关键技术指标的实时动态展示与反馈设计功能。论述转向架孪生体建模的四大关键技术及技术路线,给出转向架动力学孪生子模型、结构强度孪生子模型的仿真方法及步骤,对比分析多种仿真试验设计方案并给出一种最优建议方案。提出一种基于深度学习神经网络的代理模型技术路线,并通过轮对的轮轨力预测、轮对应力预测案例验证模型的有效性及准确性。研究成果可用于指导构建列车转向架数字孪生工程应用的核心模块,并将其部署在地面中心。     

跨坐式单轨车辆转向架构架疲劳寿命预测研究

为了验证采用计算机仿真分析跨坐式单轨车辆转向架构架疲劳寿命的可行性,建立了有限元分析模型,通过施加单位载荷,计算求得应力;分别将仿真分析得到的载荷时间历程和试验获取的载荷时间历程作为载荷激励,根据S-N曲线和Miner法则,结合疲劳分析软件Ncode对转向架构架进行疲劳寿命预测。基于仿真载荷时间历程的疲劳寿命为56.1年,基于试验载荷时间历程的疲劳寿命为62年,两种疲劳寿命分析结果相近,说明基于仿真进行疲劳寿命预测具有可行性。     

地铁车辆转向架构架的疲劳寿命及可靠性研究

基于载荷谱对地铁车辆转向架构架进行了寿命预测及可靠性评价,建立了疲劳强度可靠性模型并进行了试验验证,结果表明该模型可用于预测不同服役寿命下构架焊缝结构的可靠度。     

基于光纤光栅的高速磁浮列车关键结构载荷及动应力监测系统研究

为满足高速磁浮列车关键结构状态的实时监测需求，文章介绍了一种适用于高速磁浮列车特殊运用环境及结构特点的基于光纤光栅传感网络的载荷及动应力监测系统。首先分析了光纤光栅传感器可用于检测载荷及动应力的物理机理，其次介绍了监测系统的整体设计以及光纤光栅传感器、解调系统等重要组成部分的工作原理及特征参数，最后进行了车载试验与数据分析，验证了所设计的光纤光栅监测系统用于高速磁浮列车关键结构载荷及动应力实时监测的有效性与准确性。     

城市轨道交通车辆转向架天线梁随机振动疲劳分析

为提高某城市轨道交通车辆转向架天线梁结构的疲劳寿命,对天线梁结构进行了随机振动疲劳分析,并建立了有限元模型。将实际线路中采集到的时域加速度谱变换为频率内的载荷激励谱,作为仿真分析的输入条件。结合Dirlik公式和线性疲劳累积损伤理论,计算产生天线梁的最大损伤位置及其损伤值。对天线梁的疲劳寿命进行了预测,并依据计算结论对天线梁结构进行优化。仿真分析结果与实际线路动应力测试结果对比表明,随机振动疲劳分析方法可以反映转向架天线梁疲劳的真实运行特点。     

高速列车轮轨检测和监测方法综述

随着高铁技术的快速发展,无损检测(NDT)技术已被广泛研究并应用于铁路系统,以保证列车安全运行和乘坐舒适度.结构健康监测(SHM)作为NDT技术的发展,可实现列车运行过程中铁路系统状态的实时评估,对高速铁路的运营和发展具有重要作用.文章首先综述NDT技术在列车车轮及轨道上的应用,然后介绍基于光纤传感器、压电传感器等新型...     

基于虚拟样机技术的机车车辆结构疲劳寿命仿真

提出一种多体系统仿真和有限元分析相互结合进行虚拟样机疲劳寿命预测的方法.该法用于处理随机动载荷作用下转向架构架的疲劳设计.作用在复杂结构上的时变动载荷历程可以通过应用多体系统分析软件SIMPACK的多体仿真技术获得.在ANSYS中利用单位载荷作用下的准静态应力/应变分析技术计算结构危险节点应力及关键区域.模态分析技术用来获得结构固有频率和模态振型.基于危险应力状态(包括单轴,成比例和非比例多轴)、动载荷时间历程以及Palmigren-Miner损伤理论.最后利用FE-FATIGUE软件的安全强度因子分析法进行标准时域的结构疲劳寿命预测,其中包括应力应变的循环计数,损伤预测和最终寿命估计.     

光纤传感技术在铁路中的应用

光纤传感技术是当前传感器领域研究方向。介绍光纤传感技术在监测路基沉降、边坡滑坡、轨道温度、轨道不平顺、轨道振动、道岔密贴、接触网温度、桥梁隧道结构状态、车体倾斜（载重）、车体状态（应力、振动、温度）、列车防撞预警及安全防护、列车装载超高与超宽和底部超限等方面的实际应用现状,分析总结其技术特点。光纤传感技术凭借自身优点和多参数监测能力,在铁路行业监测领域应用前景广阔。     

新型高速客车构架的疲劳寿命数值仿真分析

文中采用了一种预测结构构件疲劳寿命的新方法－疲劳寿命数值分析方法。在计算机虚拟的现实环境下，以计算机辅助设计（CAD）有限元法（FEM）和多体系统动力学软件（MBSDS）为基础，对新型高速客车构架的疲劳寿命进行分析。用MBSDS计算作用在转向架构架上的随机动载荷，再用有限元法给出动载荷下转向架构架上详细的动应力分布。根据这些动应力，应用MSC／FATIGUE软件，分析预测构架的疲劳寿命。根据疲劳为数值仿分析的结果可知，新型高速客车构架有足够的疲劳强度，而根据放大载荷谱而得到疲劳寿命分布图。可直观的判断出转向架构架的疲劳寿命薄弱位置，可以快速比较新型转向架不同设计方案的疲劳性能的优劣，可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，可以通过修改设计预先避免不合理的寿命分布。因此，疲劳数值仿真方法能够减少产品的试验样机数量，缩短开发周期，降低开发成本，提高市场竞争力。疲劳数值仿真方法必将在我国高速列车的研制和发展中起到越来越重要的作用。     

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。     

基于匹配光栅解调的FBG轨道传感器研究

通过光纤布拉格光栅(FBG)的传感原理研究基于匹配光栅解调的轨道传感器问题。依据匹配光栅检测应变的原理和列车载荷作用下钢轨应变分析,设计出一种检测钢轨局部轴向应变的光纤光栅轨道传感器方案;使用列车载荷模拟平台,对研制的轨道传感器功能进行了验证。不同环境温度、不同加载频率下采集到的实验数据表明:匹配光栅的解调方法能有效地解决温度应变交叉敏感带来的问题,满足对列车计轴的要求;并在构建交通动态测重系统(WIM)方面有好的发展前景。     

铁路站房结构损伤与传感器故障识别研究

研究目的:传统站房结构健康监测系统的设计假设传感器都能够正常工作,然而传感器故障却经常发生,监测系统会将由传感器故障导致的监测数据变化认为是结构损伤,因此需要在监测系统的设计中考虑传感器故障,以便降低监测系统的误报率。研究结论:(1)传感器失效使采样数据的维度或者数据规模降低,传感器故障导致采样的均值发生偏移,依据已生成的控制界限进行监测将使系统失控运行长度增加;(2)在训练数据处理中,通过协整关系构建传感器输出数据的正常范围,不需要大量测试数据,还可以消除温度、环境和载荷等对结构损伤识别的影响;(3)提出两层数据处理模式,将非基于模型的传感器故障诊断放在数据预处理模块,将结构损伤识别放在故障诊断模块,在系统实现上比较方便;(4)该研究结果可为降低铁路站房结构健康监测的误报率提供参考。     

新型机车联轴节疲劳寿命预测

为了准确模拟某新型机车转向架联轴节的疲劳寿命分布,结合其实际运营载荷,编制出联轴节疲劳寿命仿真计算的载荷谱.基于ANSYS有限元分析软件和n-Code疲劳分析软件,应用准静态叠加法和线性累积损伤理论埘该联轴节的疲劳寿命进行了仿真分析,并仿真了联轴节在承受瞬态冲击时的疲劳寿命.计算结果表明,联轴节的疲劳寿命满足设计要求.     

可变编组高速列车转向架气动阻力特征研究

基于空气动力学数值模拟方法,针对列车不同部位的转向架和转向架结构表面的气动阻力分布进行分析,对高速动车组列车整车气动效应进行数值仿真。研究结果表明:转向架流场区域在靠近来流端的上部会形成部分死水区,该区域流场与外部质量交换较小,转向架结构表面在来流方向上游会形成一个正压区,在下游方向的转向架结构表面会形成小范围的负压区。列车头车转向架气动阻力明显高于中间车和尾车,其中列车头车I位转向架受到的气动阻力最大,其次是头车II位端转向架,列车的中间车和尾车转向架阻力分布较为均匀,均为头车转向架阻力的60%左右。     

外部载荷对轨道车辆转向架构架结构静强度影响程度的评估方法

基于载荷影响系数反映外部载荷对车辆转向架构架结构静强度的影响程度,分析外部载荷与结构应力响应之间的传递关系,推导载荷影响系数的计算公式,提出基于载荷影响系数评估外部载荷对车辆转向架构架结构静强度影响程度的方法。设计某型号车辆转向架构架的实验室结构静强度台架试验,采用该评估方法分析各试验载荷对该转向架构架结构静强度的影响程度。结果表明:不同外部载荷对不同测点处结构静强度的影响程度有较大差异,载荷影响系数能够量化这种差异,而且通过该系数能确定对结构静强度影响最大的外部载荷;当某外部载荷发生线性变化时,载荷影响系数也随之变化,载荷影响系数幅值越大、变化曲线的斜率越大,说明该外部载荷对结构静强度的影响程度也越显著。     

地铁转向架构架运用载荷与疲劳损伤特征研究

地铁转向架构架在未达到服役寿命时,频繁出现疲劳裂纹,导致其疲劳可靠性不足。表明在一定程度上,构架采用的疲劳可靠性设计规范未能覆盖真实运营环境,有必要开展实际运营条件下的构架载荷、损伤研究。通过线路测试采集构架动载荷与动应力信号,分析构架载荷动态特性和损伤状况。结果表明,构架载荷与线路条件及列车运行状态密切相关,列车启停、站前站后短曲线线路等导致构架承受幅值较大、频次较高的动态载荷;主体载荷能量在10 Hz以内,电机吊座载荷存在51 Hz能量;曲线线路造成的疲劳损伤普遍大于直线线路;载客量对构架损伤有一定影响。研究结果对掌握在不同运行和线路工况下的地铁转向架构架动态载荷特征和疲劳损伤特性,并开展满足运用安全的抗疲劳优化改进具有重要的工程意义。     

高速列车焊接结构件抗疲劳性能研究

列车在高速运行的条件下,受到的气动交变载荷及转向架传递的振动载荷对列车影响较大,致使其焊接结构部件发生了疲劳破坏。为提高结构件的抗疲劳性能,对动车组焊接结构件进行疲劳强度分析十分必要。本文以高速列车焊接结构件为研究对象,通过理论研究、运营数据分析、仿真计算和线路试验,制定了抗疲劳性能的设计方案,从而提高了结构件的疲劳寿命,从而节约车辆的制造成本。     

提速货车转K2型转向架侧架疲劳寿命预测

在建立C64K货车非线性系统动力学模型的基础上,对该货车在沈大线上运行的过程进行仿真研究,得到转K2转向架侧架动态载荷的时间历程曲线;通过建立转K2转向架侧架有限元模型,计算单位载荷下各部位应力,从而得到转向架侧架危险截面部位在典型线路的概率疲劳应力谱,为预测转K2转向架侧架的疲劳寿命提供依据.研究表明:转K2侧架的疲劳寿命最低点均在导框内弯角处,转K2转向架侧架在可靠度为95%和99%时所对应的疲劳寿命分别为689×104 km和490×104 km.     

重载列车紧急制动过程车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命预测

基于Abaqus软件,建立闸瓦-车轮-轨道三维有限元模型,设置车轮钢材料的接触属性和材料属性,对重载列车紧急制动过程进行热力耦合仿真;基于损伤参量的疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析重载列车整个紧急制动过程中车轮踏面瞬态温度分布、径向和切向应力分布以及弹性和塑性应变分布,并通过计算车轮踏面损伤参量判断疲劳裂纹萌生位置,预测不同轴重和不同闸瓦压力对车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:重载列车紧急制动时,车轮踏面上制动温度越高则相应热应力、热应变也越大,尤其当踏面最高温度超过100℃时,热负荷对裂纹萌生的影响更加显著;车轮踏面上裂纹萌生更多的是由剪应力和剪应变引起,轮轨接触斑内是最先萌生裂纹的区域;轴重为30 t、闸瓦压力为21 kN、初速度为100 km·h~(-1)时损伤参量最大为3.801 1,最大循环制动次数仅有236次。     

用声发射法研究箱型断面侧架的铸钢试样

本文介绍了在箱型断面的报废侧架上弦杆处切取的200×100×10 mm的试样上,对其疲劳裂纹的发展过程进行研究的结果。试样被放置在MTS-50电动液压试验机上,交替地对其施加循环载荷和静载荷,用声发射和应变测量方法对疲劳裂纹的出现及其发展的有关信息进行了记录。在每个试样上都安装了由4个声发射传感器组成的宽带压电天线。在应力集中的裂口处粘贴上了4个应变丝传感元件。试样破坏后,对其进行化学分析,并对非金属夹杂物及其数量作出评定。最后还进行了微观和低倍组织分析,以便确定破坏的性状。