考虑温度和载荷影响的动车信息窗粘接结构寿命预测

针对动车信息窗粘接结构, 考虑环境和载荷对粘接结构寿命的影响, 提出了一种加速老化与自然老化相结合的寿命预测方法; 对粘接结构影响因素进行分析, 建立了加速老化的温度-动态载荷耦合循环谱, 制作了铝合金对接接头, 分别进行0、10、20、30循环周期的加速老化试验, 定期测试接头的剩余强度和失效形式, 获得粘接剂剩余强度随载荷循环次数的变化规律; 提取自然老化下不同行驶里程的实车胶条, 进行剩余强度测试, 获得了粘接剂剩余强度随行驶里程的变化规律; 采用多项式函数分别拟合载荷循环次数、行驶里程与粘接剂剩余强度衰减率的函数关系式, 建立了载荷循环次数与行驶里程之间的函数关系式。研究结果表明: 相比粘接接头初始强度, 温度循环10、20、30周期后粘接接头的剩余强度下降幅度依次为11.6%、15.9%、20.7%, 而温度-动态载荷耦合循环后强度分别下降了14.1%、18.9%、24.8%, 说明动态载荷加剧了接头强度的衰减, 并且均呈现先快后慢的下降趋势; 温度-动态载荷耦合试验作用后, 接头断面的失效形式和机理变化明显, 初始时接头胶层发生老化失效, 而后随着载荷循环次数的增加, 接头主要失效机理由老化失效转变为疲劳失效; 加速老化与自然老化下粘接剂失效强度的衰减率变化趋势基本一致, 建立的载荷循环次数与行驶里程的函数关系式能够较准确地预测粘接结构的寿命, 预测得到动车最大安全里程为8.34×106 km。      

地铁减振扣件轨下弹性垫刚度特性与寿命预测

为了研究地铁减振扣件弹性垫在服役过程中刚度敏感性和对线路环境振动的影响，以南京地铁多条运营线路中抽取的压缩型减振扣件为研究对象，开展了压缩型扣件轨下弹性垫服役刚度特性、常温下疲劳特性和热加速疲劳老化特性等多环境室内综合测试；基于测试结果对比分析了新旧压缩型扣件轨下弹性垫使用时间与刚度变化的相关性，得到了轨下弹性垫的时间-寿命特性曲线，提出了轨下弹性垫刚度变化百分比与使用时间的寿命预测模型。研究结果表明：在周期性轮轨载荷和线路温湿碱环境等综合作用下，地铁减振扣件轨下弹性垫的服役刚度随使用时间呈线性增加趋势，其弹性发生了性能退化；新的轨下弹性垫热加速疲劳老化刚度曲线与服役抽样轨下弹性垫的刚度曲线趋势基本一致，即轨下弹性垫的热加速循环老化试验能够模拟或演化轨道交通线路的热机械循环载荷等现场条件；基于Arrhenius寿命-应力热加速老化模型，轨下弹性垫服役应力和加速老化应力下的加速因子分别为1.99和1.36,进而可通过加速因子预测减振扣件轨下弹性垫的更换周期。     

机翼结构件的疲劳测试

在交变载荷作用下,在机翼腹板结构件表面粘贴应变花,实时监测疲劳试验时试件的应力应变状况,采用X射线确定了疲劳破坏后的试件表面和内部裂纹的大小与位置,分析了结构件结构损伤的部位和损伤程度,预测了结构件的裂纹扩展寿命。测试结果表明:在40kN正弦交变压缩载荷作用下,试件的疲劳寿命约为100万次,符合疲劳寿命分布预期1万～100万次;疲劳试验测得的应力与理论计算结果有相近的变化趋势,误差约为10%;高锁螺栓和薄板断裂破坏是该处过大的载荷和绕x轴的弯矩共同导致的;估算的疲劳裂纹扩展寿命为10 183次。     

耦合损伤时相关疲劳失效模型的有限元实现

为了将耦合损伤时相关疲劳失效模型移植到有限元软件ABAQUS中,使其能够对钎料合金简单结构试样的非比例多轴低周疲劳失效行为进行有限元模拟,通过ABAQUS提供的材料子程序UMAT对其进行了有限元实现,并通过典型算例对简单结构试样在非比例加载路径下的低周疲劳失效行为进行了有限元数值模拟.与相同加载路径下的实验结果比较表明:移植的模型能够较好地模拟钎料结构试样的载荷响应及载荷随循环周次的衰减,同时也能较好地预测其低周疲劳寿命,说明该疲劳失效模型的有限元移植是合理有效的.     

疲劳损伤的非线性累积模型及其应用

通过定义单个载荷循环所造成的疲劳损伤量，给出了一个适合于对过程进行模拟分析的非线性疲劳损伤累积模型，通过对多级载荷下的疲劳寿命分析结果与实验数据的比较，证明该损伤模型能够正确反映载荷次序效应等疲劳累积损伤规律，作为该模型的应用，本文采用计算机仿真方法进行了随机载荷作用下的起重机焊接箱形梁的疲劳寿命分析。     

动载作用下柔性车体结构疲劳寿命的仿真

为准确预测随机动载作用下柔性车体结构的疲劳寿命，将多体动力学仿真和有限元分析相结合，建立了车体多体动力学模型．计算了35个关键部位的载荷历程，并用准静态应力分析法获得了对应的应力影响因子．用模态分析技术获得了车体结构固有频率和模态振型，用子结构技术获得了车体有限元缩减模型．根据危险应力分布、应力时间历程以及Palmgren-Miner损伤理论，利用疲劳分析软件FE-FATIGUE的基于应力的安全强度因子分析法和MATLAB的WAFO技术对柔性车体结构疲劳寿命仿真．仿真结果包括损伤和疲劳寿命预测．     

某驱动桥壳疲劳寿命分析研究

依据模态分析理论,针对出现疲劳损伤的某型桥壳,建立桥壳的有限元模型以及Adams环境下的虚拟样机模型,对桥壳进行疲劳寿命仿真分析。研究结果表明:桥壳结构满足强度、刚度要求,且在一定的频率范围内,同种载荷不同频率下的桥壳疲劳损伤及寿命相差不大,寿命满足设计要求。同时可通过hypermesh预测分析桥壳的疲劳寿命及损伤,对于桥壳的优化和改善具有指导意义。     

湿热老化对BFRP粘接接头横向冲击力学性能的影响

为了给车辆粘接结构的碰撞安全提供参考, 选取玄武岩纤维复合材料(BFRP)制作了单搭接接头; 根据车辆服役环境, 选取温度/湿度为80℃/30%和80℃/95%两种环境(GWCS和GWGS), 对接头分别进行了0、5、10和15 d的老化, 通过准静态拉伸测试了失效载荷和失效形式随时间的变化规律; 利用差示扫描量热法分析了BFRP和粘接剂在老化前、后的玻璃态转变温度; 对未老化和老化15 d后的接头进行了冲击能量为0、20、40和60 J的横向冲击试验, 分析了能量吸收、最大冲击载荷和最大变形随冲击能量的变化规律, 同时测试了接头失效载荷和失效形式的变化规律。分析结果表明: GWCS环境下, 老化后接头失效载荷下降比较小, 粘接剂发生后固化反应, BFRP发生分子链断裂, 接头更容易发生基体开裂或者纤维撕裂; GWGS环境下, 老化能明显加速接头性能的退化, 容易造成粘接剂与BFRP界面发生水解和膨胀, 老化15 d后失效载荷下降了54.99%, 失效断面为界面与内聚为主的混合失效; GWCS环境下, 老化后接头具有较好的承受冲击载荷和抵抗变形的能力, 冲击后失效载荷变化不大; GWGS环境下, 老化后接头受横向冲击影响明显, 承受冲击载荷和抵抗变形的能力较差, 在60 J冲击后接头表面损伤严重, 失效载荷下降明显, 下降幅度为58.71%, 失效断面为界面与内聚为主的混合失效, 损伤裂纹较为明显。可见, 车辆服役过程中, 粘接结构需尽量避免受高温高湿环境的作用, 尤其注意横向冲击对老化后粘接结构的影响。      

基于验证模型的枕梁疲劳寿命预测虚拟实验

为了研究地铁车辆枕梁服役安全性问题,考虑到大量疲劳实验耗时长且成本高,利用虚拟实验方法对枕梁结构疲劳寿命进行评估,根据EN12663-1标准设计枕梁静力实验,获得枕梁表面特征点的应力值和位移值;然后对枕梁进行有限元建模并仿真,对比静力实验结果,调整后获得与枕梁实际结构相符的有限元模型;最后利用Monte Carlo方法,进行地铁车辆枕梁在恒幅载荷与变幅载荷作用下的虚拟疲劳实验. 研究结果表明:在标准规定的恒幅载荷作用下,该地铁车辆枕梁寿命大于1 000万次载荷循环的可靠度约为0.73;在变幅载荷作用下,寿命大于1 000万次载荷作用的可靠度约为0.81;因此,该地铁车辆枕梁完全满足设计与使用要求.      

铁道货车转8A侧架可靠性疲劳寿命预测

采用可靠性疲劳寿命预测的方法代替传统的静强度安全因子保证强度裕度的方法,可以比较精确地计算侧架的实际服役寿命,找到疲劳薄弱部位,为侧架的设计提供参考建议.首先通过建立货车的多体系统动力学模型,得到了侧架的载荷-时间历程;采用试验得到的ZG230-450材料疲劳数据,建立了其分段S-N曲线;通过建立了侧架的有限元模型,得到其单位载荷下的应力分布;运用Palmgren-Miner线性损伤理论计算了侧架在不同可靠度下的疲劳寿命,计算结果与试验结果一致.     

基于交通流荷载的高速公路沥青路面使用寿命分析

为探求交通流荷载下高速公路沥青路面的使用寿命,采用层状体系理论,建立ANSYS 3-D有限元粘弹性路面结构模型;根据损伤力学理论研究单轴载通过时由沥青层底部的最大拉伸应变造成的路面破坏;再由Miner's线性累积损伤理论得到在实际车流荷载作用下沥青路面发生一定破坏程度时的使用寿命.计算结果表明,研究路段的沥青破坏路面等...     

CRTS Ⅱ型轨道板的高频振动疲劳特性分析

列车轮载作用会引发轨道板的高频自振效应. 为分析高频荷载下CRTS Ⅱ型轨道板的疲劳特性以及板体自振效应对疲劳寿命的影响程度,基于现有的疲劳损伤准则,探究轮对作用间隙阶段轨道板自振影响下的疲劳特性. 对脱空长度影响下轨道板的疲劳寿命进行预测,并与仅考虑荷载作用次数的结果进行对比. 结果表明:轨道结构完好时,列车轮载引发轨道板伤损的可能性较小;若列车行车速度为360 km/h,列车轮载在引发轨道板共振前即发生板底开裂;轨道结构完好时,列车轮载引发的板体自振效应对轨道板疲劳损伤影响程度最大,此时列车轮载对轨道板产生约1.8倍的疲劳荷载当量;当轨道板脱空长度大于2.0倍枕距后,可忽略板体自振对疲劳损伤的影响;轨道板的脱空长度大于3.2倍枕距后,现场无砟轨道难以维持60 a的使用寿命.      

大跨钢桁拱轨道横梁半刚性连接的疲劳荷载

为评定公路与轻轨两用钢桁拱桥轨道横梁与主桁半刚性连接在车辆荷载作用下的疲劳损伤累积,对该构造细节在桥梁设计寿命期内车辆荷载产生的疲劳荷载谱的计算方法进行了研究.针对我国公路桥梁设计规范暂无疲劳荷载规定的情况,参照美国AASHTO规范,建立了反映桥梁设计寿命期内真实运营状况的疲劳荷载模型,并通过全桥三维有限元分析计算了该构造细节的荷载历程.根据疲劳损伤累积理论,确定了钢桁拱轨道横梁与主桁半刚性连接的疲劳试验荷载.     

考虑横观各向同性疲劳损伤的沥青路面数值模型

为研究车辆荷载作用下沥青路面的疲劳损伤问题,假定路面结构内受拉区的疲劳损伤横观各向同性,推导了沥青路面考虑横观各向同性疲劳损伤的本构方程.采用FORTRAN语言开发了材料子程序UMAT,结合有限元分析软件ABAQUS,得到了沥青路面的横观各向同性疲劳损伤数值分析模型.通过对该模型在不同荷载下的疲劳寿命分析,建立了荷载-疲劳寿命曲线,与试验结果进行对比,验证了模型的可靠性,并分析了损伤度及水平拉应力在路面结构内的分布规律.研究结果表明:疲劳损伤主要分布在基层底面双轮中心线附近,该位置最先产生疲劳裂纹,随着荷载作用次数增加,受损区水平拉应力在减小的同时,分布规律也发生了很大的改变,其最大值位置沿道路竖向从基层底面向上移动,沿道路横向从双轮中心线位置往两侧移动;本文方法得到的路面疲劳寿命与试验结果吻合较好,相对误差在4.57%~9.82%之间.      

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。      

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．     

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.     

疲劳荷载下无砟轨道混凝土中氯离子传输研究

疲劳荷载作用下，无砟轨道混凝土的抗氯离子渗透性能是影响其服役特性的主要因素之一. 为分析混凝土在疲劳荷载作用下氯离子的传输变化规律，首先针对浸泡于氯离子溶液的混凝土试件进行弯曲疲劳试验，然后利用COMSOL有限元软件建立结构力学场与氯离子传输场的两场耦合模型，模拟氯离子在混凝土中的扩散行为. 研究结果表明:当侵蚀时间为2 d时，应力比为0.3、0.5和0.7对应的氯离子扩散深度分别为7、11、16 mm，混凝土中氯离子扩散深度随荷载应力比的增大而增大；两场耦合有限元模型计算得到的氯离子含量与试验测试结果基本吻合，验证了模型的合理性；混凝土中氯离子扩散深度随侵蚀时间的增大而增大，采用一元二次多项式可较好地描述扩散深度与侵蚀时间的关系.