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.     

高速列车转向架构架动应力计算与疲劳全寿命预测

建立了车辆结构的刚柔耦合动力学模型,对比了刚性构架和柔性构架的振动响应,计算了构架的载荷谱;分析了应力谱转化方法,利用有限元方法与多项式拟合方法计算了构架的动应力谱;基于动应力谱与相关标准,运用线性累积损伤理论与疲劳裂纹扩展寿命Paris方程计算了构架的疲劳全寿命。计算结果表明:相比于多刚体车辆系统动力学模型,采用考虑构架柔性的车辆系统动力学模型计算的构架振动加速度响应在构架固有频率36.94~95.53Hz范围内的幅值较大,因此,构架的模态对振动响应的贡献显著;将载荷谱转化为应力谱的多项式拟合方法与瞬态分析方法相比较,应力误差最大值为1.16MPa,相对最大误差为3%,满足工程分析5%的计算精度要求;基于疲劳损伤理论计算的可靠度为95%的构架疲劳寿命为1.82×106 km;构架危险关注点裂纹由1mm扩展到2mm的寿命为1.76×106 km,满足中国高速列车车辆检修标准中制定的五级检修周期为1.2×106 km的要求。可见,构架模态参与下的动态应力谱计算方法与构架的疲劳全寿命预测方法可靠,有益于构架的动态设计与维修周期的制定。     

部分斜拉桥拉索疲劳可靠度分析

依据等效疲劳损伤原理,将车辆荷载等效为模型车辆荷载频值谱,利用蒙特卡罗法随机抽样模拟出斜拉索的应力时程,假定结构疲劳寿命服从威布尔分布,推导出疲劳可靠度公式,并以株洲市芦凇大桥主桥为实例进行了验证.     

考虑两类不同随机应力时的构件疲劳可靠度计算模型

提出了一种随机应力时间历程作用下构件疲劳可靠性分析的新模型。该模型首先根据材料的P-S-N曲线,并考虑构件疲劳强度影响因素的随机性,在给定不同等幅名义应力水平下进行构件的疲劳可靠性分析,计算给定等幅名义应力下构件的疲劳可靠寿命,从而得到构件的P-S-N曲线。然后利用概率Miner准则和构件的P-S-N曲线求得在随机应力时间历程作用下构件的疲劳可靠寿命和给定寿命下构件的疲劳可靠度。     

森铁客货车车轴的疲劳寿命分析

允许带裂纹的车轴在一定限度内继续使用是一个新的研究课题,而考虑车轴的疲劳破坏特征来设计和预测车轴的寿命也是生产中的迫切要求。为此,本文根据目前在国际上采用的两种计算车轴的标准,即西欧标准和日本标准并结合我国森铁车辆的特点编制了其车轴的结构疲劳寿命分析程序,并用此程序对牡丹江林业机械厂生产的客、货车车轴进行了结构疲劳寿命分析。     

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。     

车辆荷载作用下钢-混组合桥面系的疲劳损伤

针对钢-混组合桥面系在车辆荷载作用下的疲劳失效特点,以某大跨度钢-混组合桥面系悬索桥为工程背景,建立了钢-混组合桥面系的有限元模型。基于等效疲劳损伤原理,对某长江公路大桥24h实测交通荷载数据进行计算,得到了7类典型车辆荷载模型及其频值谱。将得到的7类典型车辆荷载分别加载到有限元模型中进行计算,提取关注点的应力时程曲线。用MATLAB编制了雨流计数法程序,对应力时程数据进行处理,得到了该关注点的应力幅及循环次数。参照英国BS5400规范,对该点进行了疲劳损伤计算。研究结果表明:该疲劳点在实测车辆荷载谱作用下的应力-时程曲线呈双峰和多峰的分布形式;其最大应力幅较BS5400规范规定的常幅疲劳极限偏大;关注点的疲劳寿命比设计的低,车辆动荷载对该关注点疲劳性能的影响明显,在钢-混组合桥面系抗疲劳设计中应予以考虑。     

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.     

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。     

基于实测应变的江阴长江大桥钢桥面板疲劳寿命评估

基于实测应变,对江阴长江大桥正交异性钢桥面板构造细部疲劳寿命评估进行研究。利用实桥布设的应变传感器获取应变时程数据,处理成应力时程数据后,结合雨流计数法技术,得到"日应力谱"和"标准日应力谱"。利用标准日应力谱数据和相关疲劳规范,研究江阴长江大桥钢箱梁的疲劳寿命等问题。实桥实测数据分析表明,日应力谱和标准日应力谱分布具有相似规律。应变传感器记录的数据量很大,计算机常常由于硬件限制无法对长时间段的数据进行处理。研究表明,在计算实桥钢桥面板构造细节疲劳寿命时,利用"标准日应力谱"方法可较好地解决此问题。     

基于电机动力吸振的高速列车蛇行运动控制

复兴号CR400BF高速动车组动力转向架的牵引电机采用特有的四点弹性架悬方式, 在电机和构架之间安装有横向液压减振器和横向止挡, 首次采用牵引电机作为动力吸振器来控制转向架蛇行运动稳定性和蛇行频率, 从而避免引起车体弹性模态共振; 考虑悬挂参数和轮轨接触非线性, 建立了复兴号动车组非线性多刚体动力学仿真模型, 通过悬挂模态计算和动力学时域仿真, 分析了关键参数对动车蛇行运动的影响规律; 基于将电机作为动力吸振器的原理, 优化了电机节点横向刚度和横向减振器阻尼; 考虑动车组运营中的轮轨匹配随机因素, 组合400种轮轨随机匹配状态, 仿真分析了动车的动力学性能; 开展动车组长期线路动力学跟踪试验, 研究了动力转向架蛇行运动演变规律。仿真与试验结果表明: 牵引电机弹性架悬下的构架横向加速度频谱图从以蛇行频率为主频的单峰值变化为主频在蛇行频率两侧的双峰值, 说明电机起到了动力吸振器的作用; 将电机作为动力吸振器能够提高动车蛇行运动稳定性, 具有不同等效锥度的典型轮轨匹配下非线性临界速度超过500 km·h-1; 动车蛇行运动最高频率被控制在6 Hz附近, 远离车体中部菱形弹性模态频率8.5 Hz, 避免了转向架蛇行运动激起车体弹性共振; 动车组在轨道随机不平顺激扰下, 构架端部横向加速度小于0.5g, 平稳性指标小于2.5, 轮轴横向力和脱轨系数等运行安全性指标满足要求。      

载重货车后桥疲劳寿命分析

以安凯车桥13t载重货车后桥桥壳为研究对象,以有限元静力学分析为基础,得出了零件的应力和变形分布图,并最终达到分析车桥疲劳寿命,预测车桥振动疲劳寿命,分析裂纹生成机理并分析裂纹延展趋势.与台架试验结果进行对比,仿真数据与试验结果基本一致,验证了所建立模型的合理性.为车桥的强度评价提供了相关数据.得到的结果满足汽车驱动桥台架试验评价指标,车桥疲劳强度满足使用要求.     

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．     

桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱的理论研究

为获得服役期间桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱计算理论,考虑无砟轨道钢筋与混凝土的相互作用、无砟轨道混凝土的开裂与闭合效应、无砟轨道荷载的共同作用和时变特性,分别建立和验证了桥上纵连板式无砟轨道温度场计算模型、多尺度高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维有限元耦合动力学模型、纵连板式无砟轨道-桥梁-桥梁墩台纵向相互作用模型,并在此基础上,提出了桥上纵连板式无砟轨道疲劳应力谱计算理论.研究结果表明:利用提出的疲劳应力谱计算理论可得到服役期间桥上纵连板式无砟轨道各部件钢筋与混凝土应力时程曲线及疲劳应力谱;考虑多种荷载工况,能深入探讨桥上纵连板式无砟轨道疲劳破坏机理和影响规律;计算理论可为丰富和完善我国无砟轨道设计理论提供重要依据.      

高速列车驱动车轴动态特性分析

将车轮和轴箱分别简化为集中质量和转动惯量,用连续弹性Timoshenko梁模拟变截面车轴,建立弹性轮对与轨道耦合垂向动力学模型,分析车轴动态刚度与轮轨作用力、车轴自身振动特性和车轴动应力的相互关系。发现:轮对的一阶和二阶固有频率分别由76.34Hz和130.03Hz降低到53.68Hz和100.02Hz,车轴的一阶模态振动加速度和弹性振动位移分别增加60.12%和92.21%,轮轨动作用力增加6.23%,车轴轮座内侧和轴颈危险截面的动应力分别增加39.30%和34.13%。分析结果表明:轮轨动作用力和车轴的动应力随着车轴动刚度的降低而增加,因此,提高轻量化轮对的固有频率和动态刚度能保证高速列车安全运行和提高车轴疲劳强度。     

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.     

高速列车轴箱弹簧载荷特性与疲劳损伤

以某型高速列车轴箱弹簧为研究对象, 通过载荷标定方法制作了弹簧载荷测试传感器, 安装于动力转向架, 通过在线路测试得到了轴箱弹簧载荷时间历程; 结合车载陀螺仪信号, 分析了启动牵引、制动停车、高低速直线、进出坡道、曲线通过等典型工况下的轴箱弹簧载荷特性; 根据轴箱弹簧载荷的变化特点, 将测试载荷分解为趋势载荷和动态载荷, 并在统计基础上给出轴箱弹簧一定运用里程下的载荷谱, 确定了载荷幅值与载荷作用频次的对应关系, 根据损伤一致性准则, 分析了载荷谱各级载荷造成的损伤比重与轴箱弹簧疲劳损伤随列车运行速度增大的变化规律。分析结果表明: 轴箱弹簧载荷与应变呈线性关系, 其传递系数为9.45×10-5 kN-1; 与非动力侧轴箱弹簧相比, 动力侧轴箱弹簧载荷幅值变化受电机扭矩载荷的影响较大, 在列车启动阶段, 电机输出扭矩达到最大值, 动力侧与非动力侧轴箱弹簧的载荷分别为-7.42、1.26 kN; 列车速度由240 km·h-1增大至350 km·h-1时, 轴箱弹簧趋势载荷由-0.6 kN变化至-2.0 kN, 最大动态载荷由1.53 kN增大至1.86 kN, 增大了22%;动力侧轴箱弹簧在列车低速、高速运行时所产生的疲劳损伤比重分别为0.79、0.75;列车运行速度提高会使轴箱弹簧高幅值载荷产生的疲劳损伤比重略有降低, 这与非动力侧疲劳损伤比重分布特点相吻合; 动力侧和非动力侧轴箱弹簧疲劳损伤随着列车运行速度增大均呈现出先减小后增大的变化趋势, 在列车速度为300 km·h-1附近时达到最小疲劳损伤, 动力侧与非动力侧轴箱弹簧的疲劳损伤分别为0.110、0.004。      

基于传递矩阵法的轮对固有频率计算方法

应用传递矩阵法分析机车车辆轮对的固有频率,根据轮对的结构特点,将车轮和轴箱简化为集中质量和转动惯量,车轴简化为包含集中质量和转动惯量的变截面Timoshenko梁,建立轮对振动的传递矩阵,用Newton-Raphson方法求解频率方程,得到轮对的固有频率值。在轮对设计阶段,对其自振频率进行计算,分析其对轮对本身应力状态、机车车辆系统和轨道系统振动动态特性的影响。该方法与有限元方法计算的轮对固有频率的相对误差小于10%,具有较高的计算精度,满足工程设计的需要。     

路基回弹模量对刚性路面疲劳寿命的影响分析

基于大型通用有限元软件ABAQUS,建立水泥混凝土路面结构体系三维有限元模型,针对2种路面结构形式和2种轴重的轴载作用,计算不同路基回弹模量下的路面结构响应,结合水泥混凝土疲劳方程,分析路基回弹模量对路面结构疲劳寿命的影响.结果表明,随着路基模量的增加,板底应力水平及变化率近似呈线性水平降低,而路面疲劳寿命与疲劳寿命折减率则呈现出较为明显的非线性变化,应力水平变化不大的条件将使得路面结构疲劳寿命产生显著影响;提高路基回弹模量在较高区间(40～60 kPa)将更加显著增大路面疲劳寿命,另外,增大轴载会使路面结构疲劳寿命显著降低.