轴箱内置型铁路车轴疲劳性能与寿命评估

开展了EA4T合金钢材料的低周疲劳试验、旋转弯曲高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验, 考虑载荷类型、表面质量与尺寸系数等因素, 修正了标准小试样疲劳极限以预测全尺寸车轴的疲劳性能; 建立了轴箱内置铁路车轴(内箱车轴) 的有限元模型, 分析了内箱车轴与传统轴箱外置铁路车轴(外箱车轴) 临界安全部位的差异; 基于安全寿命设计理论, 结合修正的线性Miner疲劳累积损伤准则和载荷谱, 研究了内箱车轴的疲劳强度与服役性能; 分别采用Paris公式、NASGRO方程和LAPS模型拟合了裂纹扩展速率曲线, 基于损伤容限设计方法估算了内箱车轴和外箱车轴的裂纹扩展寿命。研究结果表明: 标准小试样的疲劳极限明显高于全尺寸车轴, 其疲劳极限均值分别为369、286 MPa; 与传统外箱车轴相比, 由于加载位置的改变, 内箱车轴的临界安全部位从卸荷槽处转移至轴身中部; 内箱车轴疲劳总寿命为2.5×1012 km, 满足30年服役寿命的设计要求; 但是在运输或服役过程中车轴表面不可避免会存在缺陷, 缺陷处存在严重的应力集中, 为裂纹的萌生和扩展提供了便利条件, 使车轴疲劳寿命大幅降低; 当车轴临界安全部位的裂纹深度扩展到5 mm时, 内箱车轴和外箱车轴的剩余寿命分别仅为3.2×105、2.0×105 km, 应根据无损探伤精度合理制定无损检测周期, 确保车轴安全服役。      

高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测

结合车辆系统在随机轨道谱激励下的动力响应与疲劳强度理论,以"中华之星"高速动力车轴为例,建立了动车系统的非线性动力学模型,仿真车辆在典型线路上的运行特性,获取作用于轮轴上的随机载荷谱。引入车轴材料的非线性本构关系,进行轮轴的有限元分析,得到车轴关键部位的应力时间历程,对其进行统计分析后得到各危险点的应力谱。在此基础上,运用局部应力应变法和累积损伤理论进行了车轴疲劳寿命估算和可靠性分析,得到不同可靠度下的疲劳寿命。当可靠度为0.9时,其疲劳寿命为16年。     

货车车轴疲劳寿命可靠性预测与分析

在近代结构疲劳寿命方法的基础上，运用可靠性理论导出了轴类构件疲劳寿命的可靠性预测公式，同时针对我国纲车车轴的特点建立了一种检修周期与检修限度可靠性分析模型，并以我国货画ＲＤ２轴为例进行了疲劳寿命预测及检修周期与检修限度的分析，得到了令人满意的结果。     

车轴表面应力分析

为了提高车轴寿命,使车轴表面产生较大压应力,分析了50钢车轴表面残余应力变化规律,采用X射线法检测了车轴表层经过低温淬火和滚压后的轴向、周向和径向应力。测试结果表明,采用此方法后,车轴表面的残余应力大幅提高,最大增幅为556MPa,且应力分布均匀,说明此方法能够有效提高车轴的疲劳寿命。     

高速动车组车轴动应力计算及可靠性分析

为研究高速动车组车轴的疲劳可靠性,基于TB/T 3352-2014不平顺轨道谱,利用UM建立整车刚柔耦合动力学模型,分析得到轮轨动力学响应,通过雨流计数法统计作用于轮轴上的8级载荷谱,结合ANSYS通过准静态法求得车轴动应力,利用Miner理论和修正的Paris公式计算出车轴疲劳寿命,最后基于三参数威布尔分布分析了不同可靠度下的车轴疲劳寿命.结果表明:轮座内侧圆弧过渡处最薄弱,可靠度为0. 9时,其寿命约为28. 84年.该方法将传统有限元强度分析方法和动力学仿真方法相结合,使分析结果更准确.     

多轴重车荷载与标准轴载间换算关系研究

通过多轴车轴载谱调查以及不同荷载作用下路面结构的受力分析,采用国外的路面疲劳寿命计算公式以及沥青面层永久变形计算公式,建立起不同轴重的多轴荷载与标准荷载之间的换算关系。计算结果表明按照国内换算方法得出的交通量能满足路面的疲劳开裂的要求,但不能确保路面的抗车辙性能。     

提速和高速列车机械结构可靠性研究

2004年度本研究的重点工作在于转向架构架的结构可靠性问题，细化了提速及高速列车转向架构架的强度评估标准及寿命预测的研究方法，完成了焊接试件疲劳试验方案和部分焊接试件的制作；在实验室模拟了构架的动态服役环境试验并进行了关键受力部位动应力采集。基于提速货车RD2车轴发生的大量的断轴事故，     

微动对车轴钢疲劳性能的影响

针对铁道轮轴间微动损伤的特点,设计了能够模拟过盈连接在旋转弯曲载荷下微动损伤问题的试样轴和试样套管．在实物车轴的特定位置切割试样,加工制作了常规疲劳试样和微动疲劳试样,并采用温差法组装微动疲劳试样的轴和套管,然后借助四点旋转弯曲疲劳试验机,通过单点法试验得出了该车轴钢的常规疲劳寿命（S—N）曲线和微动疲劳寿命曲线．结果表明,微动显著降低了车轴钢的疲劳极限,并且微动疲劳试样均在轴套配合的边缘断裂．     

钢制车轮轮缘和风孔强化仿真分析

利用Creo和Workbench建立了无内胎钢制车轮仿真分析模型,在轮缘和轮辐通风孔处增加加强筋,对车轮结构进行强化,采用名义应力法计算弯曲和径向疲劳寿命。仿真分析结果表明:加强筋提高了车轮的径向疲劳性能,虽导致车轮弯曲疲劳性能下降,但疲劳寿命仍远大于标准要求。     

基于名义应力法的动车组车体净水箱吊装部件疲劳强度分析

针对高速运行动车组车体悬挂设备振动疲劳损伤问题,以某型动车组车顶净水箱吊装结构为研究对象,采用名义应力法对吊装结构的焊缝部位进行疲劳强度评估.根据EN 12663标准确定净水箱的工作载荷工况,采用有限元法计算了各工况下结构的振动响应,并基于BS标准计算了焊缝疲劳评估点的寿命.假定各载荷工况出现频率相同的情况下,构造了工作载荷历程,采用Fe-safe软件对焊缝的疲劳寿命进行了仿真分析.两种方法分析结果均表明:焊缝1与焊缝2寿命最低,是结构最易发生疲劳破坏的位置;焊缝位于筋板表面的焊趾寿命低于位于主支撑板表面的焊趾寿命.     

大轴重矿石车车体焊缝疲劳寿命分析

为研究重载货车车体焊缝疲劳寿命,以某大轴重矿石车车体为研究对象,在AAR标准静态载荷的作用下,对货车车体进行静强度分析与评价;在此模型的基础上,依据车体焊接工艺图,创建包括焊缝在内的矿石车车体疲劳寿命分析模型;在AAR标准动态载荷的作用下,应用等效结构应力法研究车体关切焊缝的结构应力分布规律以及疲劳寿命,并对寿命薄弱部位结构进行改进,改进后焊缝寿命明显提高．     

半刚性基层沥青路面-路基协调设计

基于大型通用有限元软件ABAQUS,建立两种典型半刚性基层沥青路面结构的三维有限元模型,针对3种路基高度和4种路基回弹模量,计算半波正弦荷载作用下路面结构的动态响应,结合半刚性路面各结构层疲劳寿命预估方程,分析路面结构疲劳寿命随路基回弹模量变化的规律和相互协调问题。结合交通等级标准,确定满足不同交通等级的临界路基模量。分析表明:路基模量对沥青层疲劳寿命影响较小,对半刚性基层和永久变形预估寿命影响较大;路基高度对半刚性基层路面各结构层疲劳寿命的影响均较小,尤其是对沥青层疲劳寿命影响更小;具有柔性底基层的半刚性路面结构的临界路基模量比具有半刚性底基层的路面结构大。     

基于等效结构应力的不锈钢车体点焊接头疲劳寿命预测

采用等效结构应力法研究不锈钢车体点焊接头疲劳寿命.首先,在研究点焊接头的失效模式、结构应力计算方法的基础上,归纳总结了基于等效结构应力法进行点焊接头疲劳寿命预测的技术路线;其次,建立某不锈钢车体包括点焊接头在内的有限元模型,依据EN12663-1∶2010标准中提供的车体疲劳载荷谱,分析了主横梁与底架边梁区域的点焊接头结构应力分布规律,并对这些焊点进行了寿命预测;最后,采用改变焊点数量和布置及增加板厚的方式,使点焊接头疲劳寿命提高了3.87E+06.     

在役钢筋混凝土结构疲劳寿命分析

以结构的极限疲劳循环次数作为随机变量，基于可靠度理论提出了在役结构疲劳剩余寿命的预测方法，分析了多种工况下结构在未来服役期内的疲劳可靠性和疲劳剩余寿命。     

虚拟疲劳试验及其在重载敞车结构设计中的应用

针对车辆焊接结构重载后导致的疲劳断裂问题,提出了车辆产品设计阶段的虚拟疲劳实验对策.基于可靠的有限元数值仿真模型,以及美国AAR标准中的载荷谱、焊接接头的S-N曲线数据库,以重载新型敞车为应用对象,在设计阶段对其进行了疲劳寿命预测,预测结果表明该车确实存在疲劳寿命薄弱部位.实现了真正意义上的货车寿命设计.     

虚拟疲劳试验及其在重载敞车结构设计中的应用

针对车辆焊接结构重载后导致的疲劳断裂问题,提出了车辆产品设计阶段的虚拟疲劳实验对策.基于可靠的有限元数值仿真模型,以及美国AAR标准中的载荷谱、焊接接头的S-N曲线数据库,以重载新型敞车为应用对象,在设计阶段对其进行了疲劳寿命预测,预测结果表明该车确实存在疲劳寿命薄弱部位.实现了真正意义上的货车寿命设计.     

加速工况下铝合金高速动车组车体服役性能评估

根据EN12663标准中的疲劳载荷要求和车辆运行时启动,匀速运行,制动和出入库的在线实测加速度载荷谱,通过车体的实测应变信息,反求获得车体在线路上运行时的真实载荷谱.结合材料、结构疲劳试验以及无损探伤检测,利用主S-N曲线法疲劳寿命评估平台结合迈纳尔损伤累计法则对车体系统残余寿命和服役性能进行了评估.通过数据分析得危险焊缝部件的设计寿命和抗疲劳性能可满足车体使用30年的标准要求,并验证主S-N曲线进行动车组车体焊接接头疲劳寿命评估方法的可靠性和准确性.     

机车车轮与车轴残余应力的超声检测

机车车轮和车轴在制造和服役过程中的残余应力及其分布状态对车轮踏面裂纹形成、扩展及金属剥落、车轴的疲劳寿命等有着重要的影响。依据声弹性理论,采用临界折射纵波,建立超声应力检测试验系统,编制应力—声时处理软件。利用该试验系统对车轮、车轴的应力系数进行标定,而后对车轮踏面周向、车轴轴向的残余应力进行检测,将检测结果采用计算机线性插值绘制应力分布云图,通过云图更直观的得到残余应力分布规律。对准确评估轮对的强度、韧性和抗疲劳性以及改善其性能具有一定意义。     

铰接式轻轨客车车体结构强度的精细分析

为设计满足EN12663-2010标准性能要求的铰接式轻轨客车车体,提出了车体结构静强度精细分析方法和车体焊接接头应力集中分析与疲劳寿命预测方法.以某出口铰接式轻轨客车铝合金车体为研究对象,首先建立了铰接车体整体结构的一级薄壳单元有限元模型;并在车体一级有限元模型分析的基础上,采用子模型技术与非线性接触技术相结合的方法构建了车体铰接模块的二级有限元模型,经接触非线性数值试验,优选出合理的铰接模块设计方案.采用美国ASME-2007标准的主S-N曲线法,对铰接车体焊缝进行了应力集中分析与疲劳寿命预测,识别出了焊接接头疲劳寿命的薄弱部位.借助焊缝结构应力的分析,提出的改进方案焊缝寿命比原始方案提高了2.49倍.     

铰接式轻轨客车车体结构强度的精细分析

为设计满足EN12663-2010标准性能要求的铰接式轻轨客车车体,提出了车体结构静强度精细分析方法和车体焊接接头应力集中分析与疲劳寿命预测方法.以某出口铰接式轻轨客车铝合金车体为研究对象,首先建立了铰接车体整体结构的一级薄壳单元有限元模型;并在车体一级有限元模型分析的基础上,采用子模型技术与非线性接触技术相结合的方法构建了车体铰接模块的二级有限元模型,经接触非线性数值试验,优选出合理的铰接模块设计方案.采用美国ASME-2007标准的主S-N曲线法,对铰接车体焊缝进行了应力集中分析与疲劳寿命预测,识别出了焊接接头疲劳寿命的薄弱部位.借助焊缝结构应力的分析,提出的改进方案焊缝寿命比原始方案提高了2.49倍.