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标准2010版本中的随机加速度载荷谱进行随机振动疲劳试验。考虑焊接结构局部细节对其疲劳寿命的影响,建立带焊缝细节的电机壳体有限元模型,采用频域结构应力法对电机壳体结构的疲劳寿命进行预测与评估。研究结果表明：在频域结构应力法采用中值主S-N曲线,结构阻尼系数取0.02计算的疲劳寿命与试验结果比较接近,且疲劳开裂的起始位置也与试验一致。该电机壳体结构的关键焊缝均满足IEC 61373标准中规定的抗疲劳性能要求。该电机结构在实际随机振动疲劳试验过程中未出现焊缝疲劳失效现象,试验结果与分析评估结果一致,验证了电机常用材料Q345E钢结构阻尼选值的合理性及频域结构应力法的有效性,说明频域结构应力法可为我国电机焊接结构的抗疲劳设计提供有效的技术支持。     

某轨道货运罐式集装箱结构随机振动疲劳分析

罐式集装箱结构主要采用钢结构焊接而成,而焊缝是整个结构中疲劳相对薄弱的位置,如何在设计阶段评估该罐式集装箱焊接结构的疲劳可靠性是个难题。文中首先建立带焊缝细节的罐式集装箱结构有限元模型,基于IEC 61373-2010标准中的模拟长寿命随机振动载荷谱,引入网格不敏感频域结构应力法,分析随机载荷下罐式集装箱结构关键焊缝抗疲劳性能,结果显示该集装箱结构的关键焊缝结构满足纵向、横向、垂向3个方向各5 h随机载荷谱作用下总损伤小于1的要求。频域结构应力法,可以考虑结构的随机振动能量频域分布对焊缝疲劳寿命的影响,同时方便找出与焊缝疲劳寿命密切相关的关键模态,能够为轨道车辆焊接结构的设计与优化提供技术支持。     

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。     

基于模态应力的转向架关键悬挂件振动疲劳研究

通过建立构架关键悬挂件振动疲劳分析模型,采用模态叠加法,获得基于模态应力的构架关键悬挂件应力功率谱,并推导出结构应力的概率分布函数,并以IEC 61373标准谱和实测加速度谱为激励,利用线性疲劳损伤准则获得结构振动疲劳寿命。研究结果表明:关键悬挂件结构在IEC 61373三向加速度各激励5 h后,疲劳累积损伤值最大为1.58;在实测武广线加速度激励下,疲劳寿命为297万km;基于模态应力的分析方法能够有效地考虑激励频率与结构自身频率的振动关系,进而获得更准确的疲劳寿命。     

动车组撒砂装置振动规律及影响因素线路试验研究

为探究动车组撒砂装置在实际运营条件下的振动疲劳特性，开展撒砂装置及构架端部的振动加速度和应力线路测试；研究不同运行线路、车轮镟修前后和不同速度工况下撒砂装置的振动和应力传递规律，分析轮轨激励影响；基于实测应力，计算疲劳关键点在1 500万km应力谱下的疲劳损伤。结果表明：撒砂装置及构架端部的垂向振动水平最高；京广线某区间撒砂装置的垂向振动加速度和应力能量峰值均约为广深线某区间的3.8倍；镟轮后撒砂装置的振动加速度和构架端部应力能量峰值可分别降低约67%和68%；撒砂装置振动加速度和应力较高的主要原因为轨道板周期性不平顺冲击，主频约为66.9 Hz，与轨道板冲击振动频率和结构的1阶固有频率相近；基于某线路区间应力数据获得的构架端部焊缝测点1 500万km损伤大于1，若动车组长期在该恶劣工况下运行，结构将可能出现振动疲劳失效。     

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。     

转向架撒砂装置随机振动疲劳分析与状态监测研究

转向架撒砂装置在服役过程中承受来自轮轨的随机振动激扰,其与轴箱体螺纹连接的部位可能出现松脱甚至断裂。文章一方面通过结合模态计算与模态试验对标研究,校验有限元模型,获得模态参数,并综合随机响应分析和疲劳应力评估的Dirlik模型,研究基于模态分析的随机振动疲劳分析方法;另一方面,为增加撒砂装置服役安全,研究了一种基于光纤光栅的状态监测技术,并在台架试验上进行了验证,在设计上保障了撒砂装置的服役安全。     

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。     

基于动态服役性能的制动夹钳单元强度评价研究

针对制动夹钳单元的结构强度,根据IEC 61373—2010中对冲击和振动等的相关服役性能要求,提出了一种结合极限动态工况强度校核和随机振动疲劳损伤校核的综合评价方法。利用该方法对某型动车组用制动夹钳单元关键承载件的最大冲击应力响应和随机振动疲劳损伤进行了分析,并通过相关试验验证了该方法分析的有效性。     

某型动车组转向架撒砂装置螺纹连接系统安全可靠性研究

动车组转向架安装撒砂装置作为典型的车辆悬臂结构件,在线路条件下承受随机振动激扰,其与轴箱体之间采用螺纹连接,螺纹连接的可靠性设计对撒砂装置的结构安全和行车安全至关重要。首先建立撒砂装置有限元模型,根据模态测试数据验证了有限元模型的准确性;然后以车轮镟修前后的线路实测数据作为有限元计算的边界条件,提取螺纹连接受到的等效正弦载荷;最后基于VDI 2230—2003e标准系统评估了螺纹连接的安全性和可靠性。结果表明,车轮镟修对改善螺纹连接的安全性和可靠性效果显著,形成的流程和方法对相关轨道车辆螺纹连接的评估具有指导意义。     

转向架非主体结构件模态频率规划与设计验证

针对转向架非主体结构件进行模态频率规划及试验、仿真的方法以解决共振疲劳问题。首先梳理了车轮多边形、钢轨波磨、轨枕通过、P2共振等轮轨激振频率作为频率优化的边界条件并与IEC 61373中的试验频率范围进行了差异对比，给出了构架上设备大于100 Hz和轮对上设备大于250 Hz的模态频率一般建议，并建议基于线路主激振频率按1.414或1.19作为频率间隔参考系数进行模态频率优化。另外对比了某转向架天线梁实测振动量级高于IEC 61373的功能振动试验，说明了车轮多边形对振动量级的影响很大，建议优先采用实测振动量级进行试验并给出了试验方法，并针对缺少实测数据的情况给出了一种基于IEC 61373标准放大的试验量级。最后给出了采用Workbench进行仿真计算的方法，结合转向架管夹座优化示例，通过模态频率计算、随机振动仿真对比分析了结构优化方案的选择，从而实现提高结构寿命的目标。     

动车组天线梁随机振动疲劳寿命评估

为对动车组天线梁的随机振动疲劳寿命进行评估,首先,建立天线梁及构架结构有限元模型,并对其分析得到天线梁的固有频率;然后,利用软件编程得到德国低干扰轨道不平顺自功率谱,再根据自功率谱得到各轮对间互功率谱;最后,在有限元分析软件中对各轮对进行激励加载,采用模态叠加法对天线梁进行随机振动疲劳寿命分析,得到结构疲劳寿命薄弱位置。     

机车车辆车下悬挂箱体设备安装座疲劳寿命仿真优化分析

机车车辆在运行过程中,传递给车下悬挂箱体的随机振动激励与箱体内部结构的固有频率相接近时,会使结构产生共振而发生疲劳破坏。为研究箱体安装座在振动载荷下发生疲劳破坏的原因,基于结构振动疲劳寿命分析方法,采用有限元软件对悬挂箱体结构进行随机振动疲劳寿命分析。然后利用Dirlik法和Miner线性损伤累积准则对箱体设备安装座进行疲劳损伤评估,并对结构进行仿真优化。经分析表明,箱体安装座的疲劳寿命与安装设备的高度、质量以及安装座刚度有关,这些部件参数决定了箱体内部结构的固有频率,从而影响结构疲劳损伤的大小。     

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。     

基于实测载荷谱的C_(80)车体疲劳寿命评估

结合神华集团C_(80)万吨列车车体载荷谱实测试验,编制了符合神华集团自有铁路线路特征的车体垂向、纵向、侧滚和扭转载荷谱。基于AAR标准中疲劳损伤计算方法和焊接接头疲劳特性,计算不同编组位置车辆关键部位损伤值,基于此评估C_(80)车体关键部位疲劳寿命。通过对比载荷谱下损伤和实测应力损伤并优化载荷谱校准系数,使载荷谱符合实际工程运用要求。     

高速动车组定位转臂载荷谱分布特征研究

选定动车组轴箱装置中的定位臂作为研究对象,采用准静态法对其进行载荷识别。建立国产某型号动车组轴箱定位转臂的有限元模型,并分析计算得到定位转臂的准静态传递系数。以该型动车组在我国某线路上运行的实测结果为基础编制载荷谱,并研究分析其载荷分布特征。     

基于单轴损伤的货车钩尾框多轴疲劳寿命分析

基于单轴应变疲劳分析，提出了比例加载多轴应力状态下的疲劳寿命计算方法。采用钩尾框AAP载荷谱和我国实测荷谱，对货车13号车钩钩尾框细胞了细致的有限元计算和多轴疲劳寿命分析，结果与实际相吻合，并证明载荷谱中大载荷劳损伤有主要贡献。     

某城轨车辆充电机疲劳耐久性及冲击强度分析

文章以某城轨车辆充电机为研究对象,介绍其内部的结构布局,并按照IEC 61373-1999标准规定的模拟长寿命试验和冲击试验载荷条件,对建立的充电机虚拟样机进行随机振动疲劳耐久性和动态冲击强度仿真分析,最后利用实物样机的模拟长寿命试验和冲击振动试验对仿真结果进行验证.研究结果表明,该充电机的结构满足强度设计要求.     

“建桥合一”铁路客站Rayleigh阻尼系数计算方法

在显著影响单自由度体系位移方差的激励频率范围内,采用最小二乘法拟合出水平向和竖向地震加速度互功率谱的线性修正表达式,并结合传统随机振动计算方法和规范加速度谱提出了多维激励多阶参考振型Rayleigh阻尼系数计算方法。以"建桥合一"铁路客站天津西站Ⅱ区为工程背景,基于应变能振型阻尼模型求得的结构响应值为标准,对分别基于二阶、单维激励多阶、多维激励多阶参考振型Rayleigh阻尼系数计算方法的结构响应值进行了比较。结果表明:多维激励多阶参考振型Rayleigh阻尼系数计算方法合理考虑了振型和地震激励的相关性,响应值偏差最小,更适合于类似铁路客站Rayleigh阻尼系数的计算。