基于热-结构耦合的机车整体式车轮疲劳强度分析

车辆紧急作用下,复杂机械和热载荷会造成车轮结构破坏失效,基于热-结构耦合理论及采用有限元数值仿真分析方法,分析其对整体式车轮结构的机械强度和疲劳强度的影响,并分析对比纯机械载荷和热-结构耦合载荷两种作用下对车轮结构强度的影响,采用单轴及多轴疲劳准则进行疲劳强度评估。结果表明:紧急制动20 s时,踏面温度达到最大151.8℃;制动热载荷是引起踏面及辐板等效应力增大的主要因素,热-结构耦合载荷比纯机械载荷辐板处产生的最大等效应力超出40%左右;多轴Dang_Van疲劳准则更适合应用于车轮辐板的评定,制动热负荷会造成局部结构疲劳强度波动较大,引起车轮的突然破坏。     

基于车桥耦合动力分析的钢桥疲劳损伤与剩余寿命评估

提出基于车桥耦合动力分析的钢桥疲劳评估方法,建立车桥动力系统模型进行列车过桥耦合振动分析,求解桥梁构件疲劳应力,在此基础上,采用S-N曲线法对关键构件的疲劳损伤和剩余使用寿命进行评估。以一座铁路下承式钢桁梁桥为例,利用实测应力数据对所提方法进行验证,与既有方法评估结果进行比较,并研究了车速和轨道不平顺对桥梁疲劳性能的影响。结果表明:本文方法所得构件疲劳应力与实测数据符合较好,能够对铁路钢桥疲劳损伤和使用寿命进行准确评估;列车速度对桥梁疲劳性能有显著的影响,构件疲劳损伤程度并不一定随着车速的提高而增大;轨道不平顺能够显著影响桥梁疲劳损伤累积,轨道平顺性越好,构件疲劳损伤程度越低,加强轨道维护、保持良好轨道状态能够有效延长铁路钢桥的疲劳使用寿命。     

扭曲载荷对160km/h货车转向架构架焊缝的疲劳损伤影响

依据UIC510-3规定的动态疲劳试验载荷和IIW提供的焊接接头疲劳强度S-N曲线,基于结构有限元分析技术和Palmgren-Miner线性累积损伤准则,对160 km/h货车转向架焊接构架侧梁主结构焊缝接头的疲劳损伤进行数值仿真计算。着重研究有无扭曲载荷作用下,各疲劳关注部位累积损伤的变化程度和规律。仿真结果及综合分析表明:扭曲载荷作用导致的损伤增幅在累积损伤较高部位最大仅约为6%,其对构架主结构的疲劳损伤影响极为有限。因此考虑到疲劳试验设备的加载能力,对160 km/h货车转向架焊接构架及摇枕进行动态疲劳试验时可不必施加线路扭曲载荷。     

基于子结构瞬态结构应力的轨道车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究

瞬态疲劳分析比频域疲劳分析更能反映结构动态特性。该方法因轨道车辆有限元模型太大,仿真时间成本过高而难以被大量、广泛应用。提出基于子结构瞬态结构应力的轨道车辆焊接结构疲劳寿命评估方法。基于Guyan缩减理论,提出子结构模态匹配方法确定动态子结构模型,再对动态子结构模型进行刚柔耦合仿真获得载荷历程。对该模型生成的焊缝子结构模型进行瞬态分析,获得等效结构应力响应时程进行焊缝疲劳寿命评估。以某高速列车焊接车体验证,研究结果表明：所提出方法能考虑轨道车辆刚柔耦合模拟和结构的动态振动特性,与传统方法相比,模态分析时间减少到47%,焊缝疲劳寿命评估结果误差不超过2%,但瞬态仿真时间减少95%。该方法还可以运用于其他焊接结构的瞬态仿真疲劳寿命评估。     

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。     

基于疲劳驱动力能量损伤参数修正的非线性疲劳寿命预测

针对疲劳驱动力能量模型中变幅载荷间交互因子难以确定的问题,考虑载荷大小次序、载荷间的干涉以及疲劳损伤程度等因素对变幅载荷作用下损伤累积规律的影响,在引入能量准则确定损伤参数的基础上,将变幅载荷应力比、载荷循环比、疲劳损伤程度引入载荷间交互因子的计算,建立分别采用载荷循环次数比和实时疲劳损伤对交互因子进行修正的改进非线性疲劳寿命预测模型。根据Q235B和铝合金2种常用材料的焊接接头在多级变幅载荷作用下的试验数据,对改进的疲劳寿命预测模型的预测能力进行验证。结果表明:在变幅载荷作用下,改进的疲劳寿命预测模型能有效地对焊接结构的疲劳寿命进行预测,相比其他模型更接近于试验结果,且模型中仅含有2个比较容易通过试验确定的常规参数,无需引入其他参数,便于应用于实际工程结构的分析及设计。     

HXN5型机车气缸盖螺栓断裂故障分析及无损检测方法

在高速重载的情况下,机车零部件所承受的载荷变大,导致零部件在交变载荷的作用下产生疲劳损伤。当疲劳损伤累积到一定程度,超过结构的损伤临界值时,零部件就会发生疲劳断裂,而影响机车的正常运用。对HXN5型机车气缸盖螺栓折断的疲劳断裂面进行分析,并针对气缸盖螺栓制定了检测方法,有效控制了气缸盖螺栓因疲劳裂纹的延续发展而造成的断裂故障。     

基于雨流计数法的转向架结构疲劳寿命评估

为验证轨道交通车辆转向架构架服役条件下的安全性,对转向架构架各工况下的工作状态进行仿真分析,得到转向架构架的薄弱点位,并以此为依据对转向架构架布置应力传感器测量构架各点位的实际疲劳应力。依据雨流计数法对转向架构架各测点的实测数据进行处理,得到转向架构架各测点的16级载荷应力谱,利用该载荷应力谱根据线性累积损伤理论对转向架构架的疲劳寿命进行寿命评估,可为同类车辆结构的疲劳寿命评估、设计优化和使用维护提供参考。     

基于核密度估计法的载荷历程外推研究

根据线路测试数据编制的疲劳试验载荷谱,比机械结构相关标准中规定的载荷谱真实可靠,而线路测试试验一般在结构整个设计使用寿命中很短时间段内完成,因此需要对测试数据进行外推。为解决多样本载荷历程外推问题,基于核密度估计KDE(Kernel Density Estimation)理论,给出多样本载荷历程条件下的KDE使用方法,提出基于平均损伤原则的外推方法。最后,结合动车组车下设备线路测试数据进行验证,并与线性外推方法进行对比。结果表明:提出的多样本载荷历程外推方法可以给出满意的结果,明显好于线性外推方法。损伤计算表明,KDE外推方法获得的损伤值与实际载荷损伤值误差为1.4%,满足工程使用要求。此研究为其他载荷历程外推提供借鉴案例。     

用全尺寸疲劳试验进行铁路转向架疲劳设计评估

通过静载荷试验、疲劳试验和线路试验评估了电动车辆转向架构架的疲劳强度.对疲劳试验和线路试验中出现的应力历程的特征进行了评估,采用各种疲劳寿命评估方法对疲劳损伤进行了评估.试验结果表明,在载荷作用下,某些应变片测得的应力和应变按应变片所处的位置呈多轴状态.应根据位置和应力状态确定合适的疲劳评估方法.     

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。     

基于有效缺口应力的地铁构架疲劳损伤研究

地铁构架的疲劳失效在焊接接头的焊趾和焊根处均有可能发生,因此需要一种有效的疲劳评估方法来全面地分析转向架的疲劳可靠性。针对该问题,基于有效缺口应力法建立了某地铁转向架构架整体有限元模型,以及电机吊座翼板与横梁连接部位焊接接头的局部网格细化有限元模型,得到了焊接接头焊趾和焊根处的有效缺口应力分布。根据Miner损伤理论和对应的S-N曲线计算得到有效缺口应力法与名义应力法的累积损伤。结果表明,接头焊根处更易发生疲劳失效。此外,有效缺口应力法比名义应力法更加安全。为进一步研究不同载荷对损伤的影响,通过对比各载荷的累积损伤结果发现：对于有效缺口应力,损伤占比较大的5种载荷分别是扭转载荷、电机横向载荷、电机垂向振动载荷、电机驱动载荷、齿轮箱垂向振动载荷,其中扭转载荷占比最大,达30%～60%。文章验证了有效缺口应力法在地铁车辆构架疲劳评价中的安全性和适用性。     

基于精细模型的斜拉索疲劳损伤分析

为了更好预测斜拉索的疲劳寿命,提出了基于精细模型的斜拉索疲劳寿命分析方法。首先,基于S-N曲线建立疲劳易损指标,采用Monte-Carlo法生成随机列车荷载进行车桥耦合分析,通过易损性分析得到最易损斜拉索;然后,考虑平行钢绞线索力误差建立精细斜拉索模型,基于Miner线性累积损伤理论对精细模型进行疲劳损伤分析与寿命预测。数值仿真结果表明,该方法可以较精确地确定每根钢绞线斜拉索的疲劳位置和疲劳程度;成桥索力较大的斜拉索易于发生疲劳损伤,疲劳损伤多发生在锚固段,且外侧钢绞线疲劳损伤程度较大。     

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。     

基于多体动力学和有限元法的车体结构疲劳寿命仿真

提出一种多体动力学仿真和有限元法相互结合进行结构疲劳寿命预测的方法,并以机车车体结构为例进行了疲劳寿命计算。利用SIMPACK的多体仿真技术获得车体结构的动载荷历程;在ANSYS中利用准静态应力/应变分析法计算结构危险节点应力影响因子;根据模态分析技术确定车体结构固有频率和模态振型以及危险点位置。最后,基于动应力历程以及Palmigren-Miner损伤理论,利用FE-FATIGUE软件的基于应力的结构安全因子分析法对车体结构进行疲劳寿命预测,其中包括应力应变的循环计数、损伤预测和最终寿命估计。     

货车车体疲劳试验载荷谱编制方法研究

以C70车体为研究对象,实测得到车体载荷数据和疲劳关键部位的应力数据。对实测数据用于车体台架疲劳试验的载荷谱编制方法进行了研究,提出了利用车体载荷和应力同步响应关系编制疲劳试验载荷谱的方法。依据损伤等效原则,剔除了对车体损伤无贡献的小应力循环,简化浓缩了应力时间历程。利用载荷和应力测试的同步性,对实测载荷时间历程进行简化和浓缩,编制了适用于车体台架疲劳试验的载荷谱。结合累积损伤理论,对比分析了浓缩前后车体疲劳损伤,验证了该方法的可行性和准确性。     

B120型地铁铝合金车体疲劳寿命预测

B120型地铁铝合金车体为整体承载全焊接结构,主要采用大型中空铝合金型材组焊而成。通过有限元方法对B120型地铁铝合金车体结构进行强度计算;选取典型线路的载荷谱,根据静强度计算的结果,折算出对应评估点应力幅;基于IIW标准,运用麦因纳疲劳累积损伤理论,对B120型地铁铝合金车体的关键点进行了疲劳寿命预测。     

基于载荷相互作用效应的Corten-Dolan改进模型

针对变幅载荷作用下载荷间的相互作用效应对结构疲劳寿命影响显著的特点,在考虑小载荷、损伤程度和应力状态的基础上引入相邻两级应力比的幂函数对关键参数d进行修正,以表征载荷间相互作用效应的非线性影响,从而建立了改进的Corten-Dolan累积损伤模型.同时,引入参数k建立了此类改进模型的统一表达式.基于三种常用材料的试验数...     

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。     

气动载荷对高速动车组的设备舱强度影响研究

对比分析了现有高速动车组设备舱强度计算与评估标准,提出将气动载荷设为定值研究设备舱疲劳强度的方法。通过静强度分析优化改进了设备舱结构,对比分析了单独施加气动和冲击,同时施加气动和冲击对设备舱静载荷的性能影响;同时参照标准和实测载荷,探索性研究了不同气动载荷下设备舱疲劳特性。分析结果表明,气动载荷对设备舱强度影响较大,±1 500 Pa气动载荷下设备舱疲劳强度满足设计要求。