基于不同焊缝结构的单轨车辆转向架构架疲劳分析

针对考虑转向架板件之间焊缝对其力学性能的影响,提高仿真分析结果的准确性和有效性,对基于焊缝结构的转向架构架进行了静强度分析,并采用准静态应力分析法对转向架构架进行疲劳强度分析以及疲劳损伤评估,研究了电机箱处不同焊缝结构形式对构架疲劳寿命的影响.研究结果表明:HV型T型焊缝较单面角T型焊缝而言,电机箱焊缝处的疲劳寿命提高了69.6％,能够有效提高转向架构架整体疲劳强度.     

基于结构应力法的焊接构架应力状态研究

采用结构应力法研究焊接构架焊接接头的应力状态.首先,结合结构应力法和BS EN15085-3:2007标准,提出焊接接头应力因数的计算方法,并归纳总结出确定焊接构架焊接接头应力状态等级的技术路线;其次,建立了包括焊缝在内的某焊接构架有限元模型,依据疲劳试验大纲中提供的疲劳载荷谱,分析了构架焊缝的结构应力分布特点,并利用结构应力法的98%可靠度-2σ的S-N曲线,对焊缝进行疲劳寿命预测,构架评估焊缝的总损伤均小于1,满足疲劳寿命设计要求;接着,基于构架评估焊缝的等效结构应力计算焊缝的应力因数,应力因数的最大值为0.79;最后,由应力因数的值,确定构架支撑座附近焊缝的应力状态等级为中.     

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．     

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．     

基于子模型技术的转向架焊接构架疲劳评估

为提高高速动车组焊接构架复杂区域的有限元分析结果精度,降低求解规模和分析时间,利用子模型技术进行了焊接构架的疲劳评估.以某型动车组动力转向架焊接构架为研究对象,依据UIC 615-4和EN 13749标准中的载荷施加要求,采用有限元软件ABAQUS进行了运营工况不同载荷组合下的强度分析,并进行了焊缝处的疲劳强度分析,确定了焊接构架的疲劳薄弱区域.在此基础上,运用子模型技术将应力幅值最大的转臂定位座与下盖板角焊缝区域从构架整体中分离出来进行构架的疲劳评估,采用热点应力法得到该处的疲劳寿命为3.6×10~6次,满足IIW标准规定的2×10~6次,分析结果表明该构架疲劳寿命满足设计要求.     

高速动车组焊接构架疲劳强度评估

针对高速动车组焊接构架的结构特点,建立某型高速动车组转向架焊接构架有限元模型,基于TB/T 2368-2005标准对焊接构架进行静强度分析,遴选出相对薄弱部位,并基于动应力法对选取的薄弱部位进行动应力计算,结合材料的Goodman疲劳曲线,评估焊缝区和非焊缝区的疲劳强度.结果表明:超常载荷工况下,构架的最大应力出现在焊缝区,为296 MPa,13种模拟运营工况下,无缝区的最大应力为225 MPa,焊缝区的最大应力为195 MPa,均未超出结构材料的许用值. 6个考察部位中只有侧梁下盖板和转臂座连接处的应力幅略高于焊缝疲劳许用应力,其余各部位的动应力均符合设计要求.     

基于代理模型的焊接构架纵梁优化设计

以城际动车组焊接构架纵梁为研究对象,以构架纵梁的总体积为目标函数,以应力和位移为约束对其进行了拓扑优化设计.在拓扑优化结构的基础上,基于等效结构应力法分析纵梁相关焊缝的疲劳累积损伤值,并以纵梁板厚为设计变量,考虑应力、位移和焊缝疲劳累积损伤约束,构建焊接构架纵梁的抗疲劳轻量化模型.为有效地求解该优化模型,引入基于Kriging代理模型的序贯近似优化方法,并结合多岛遗传优化算法进行求解.经过拓扑优化设计和抗疲劳尺寸优化设计,最终实现纵梁结构减重约20.6%,该工作为城际动车组转向架构架设计提供了参考.     

动载系数对160 km/h货车转向架焊接件疲劳损伤的影响

为了验证160 km/h货车转向架焊接部件的疲劳强度,依据UIC510-3标准规定的疲劳试验载荷确定方法和IIW提供的焊接接头疲劳强度S-N曲线,应用结构有限元技术及Palmgren-Miner线性累积损伤准则,对焊接构架及摇枕主结构危险焊缝接头进行了疲劳损伤数值仿真分析.结果表明:侧滚动载系数变化对疲劳损伤影响较小,浮沉动载系数变化对疲劳损伤影响显著.在对焊接构架和摇枕进行疲劳试验验证时,侧滚动载系数可直接取标准值0.22,浮沉动载系数应比标准值0.30适当增大,可初步取为0.33.     

焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用

铁路客车209T型转向架焊接构架横梁腹板与侧梁下盖板的焊缝出现的疲劳裂纹直接影响行车安全.采用美国ASME标准中的<网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法>,对该处焊缝进行了有限元分析,分析计算了该处焊缝焊趾与焊根上的应力集中,也计算了该处焊缝焊趾与焊根上的疲劳寿命与损伤.疲劳损伤计算结果与实际开裂情况相当吻合.基于这一方法,对改进设计的疲劳寿命及损伤再次进行了计算,结果表明:改进方案显著地提高了该处的抗疲劳破坏能力.上述研究与验证表明:<网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法>突破了传统名义应力法的局限性,在机车车辆焊接结构抗疲劳设计过程中,具有重要工程推广价值.     

斜拉桥钢桥面板顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群数字疲劳试验

为研究多场耦合作用下斜拉桥钢桥面板疲劳裂纹的扩展机理,建立了跨尺度斜拉桥全桥数字疲劳试验模型;通过模拟顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处多道焊缝的焊接全过程,将焊接残余应力引入数字疲劳试验模型中;基于扩展有限元法,在多场耦合作用下对顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处典型疲劳裂纹进行扩展机理的数字断裂参数分析与扩展行为的数字疲劳试验。研究结果表明:在顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处存在较大的残余拉应力,其最大值接近钢材的屈服强度,焊接残余应力对钢桥面板疲劳性能的影响不可忽略;后续焊缝会影响已有焊缝区域的应力场分布,在分析计算多道焊缝影响区域的焊接残余应力场时,需模拟多道焊缝的焊接全过程;在恒载应力场、活载应力场和焊接残余应力场的多场耦合作用下,按复合型裂纹扩展的工程准则,顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处4种典型疲劳裂纹的最大等效应力强度因子幅均大于疲劳裂纹扩展阈值,均将在疲劳循环荷载作用下发生疲劳扩展;在多场耦合作用下,过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊趾处疲劳裂纹和U肋侧焊趾处疲劳裂纹均为以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响不容忽略;过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊根处疲劳裂纹和横隔板过焊孔边缘处疲劳裂纹均为Ⅰ型裂纹;建立的多场耦合作用下多尺度数字疲劳试验可为运营阶段大跨度桥梁钢桥面板疲劳裂纹的扩展提供分析与模拟方法。      

焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用

铁路客车209T型转向架焊接构架横梁腹板与侧梁下盖板的焊缝出现的疲劳裂纹直接影响行车安全.采用美国ASME标准中的《网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法》,对该处焊缝进行了有限元分析,分析计算了该处焊缝焊趾与焊根上的应力集中,也计算了该处焊缝焊趾与焊根上的疲劳寿命与损伤.疲劳损伤计算结果与实际开裂情况相当吻合.基于这一方法,对改进设计的疲劳寿命及损伤再次进行了计算,结果表明：改进方案显著地提高了该处的抗疲劳破坏能力.上述研究与验证表明：《网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法》突破了传统名义应力法的局限性,在机车车辆焊接结构抗疲劳设计过程中,具有重要工程推广价值.     

多轴转向架焊接构架焊缝应力集中分析与寿命研究

利用美国ASME-2007标准中的结构应力法和有限元数值分析技术,研究某多轴转向架焊接构架焊缝结构应力分布规律,指出在垂向斜对称载荷工况作用下构架应力集中发生部位;以降低焊缝应力集中为出发点,对焊接构架结构进行改进设计.构架改进结构后焊缝结构应力幅值降低,疲劳寿命显著提高.     

基于ASME标准的动车组沙箱焊接结构疲劳评估

为了研究动车组沙箱焊接部位的疲劳寿命,根据沙箱的结构建立有限元模型,加载三种疲劳载荷工况,选取主要焊缝,运用ASME标准中的主S-N曲线法和参照BS标准的名义应力法分别计算所选焊缝的应力和累积损伤比,通过计算结果证明沙箱结构设计的合理性.改变焊缝单元的大小,对比不同尺寸单元下两种算法的计算结果,证明主S-N曲线法对焊接结构进行疲劳评估的时候不受有限元网格大小的影响,比名义应力法更为可靠.     

惯性载荷作用下结构应力法焊接结构抗疲劳性能研究

基于结构应力法计算了焊缝的等效结构应力和累积损伤比,对这两种焊接形式在惯性载荷作用下的疲劳特性进行了分析.分析了采用名义应力法和等效结构应力法对有限元网格尺寸的敏感性,验证了采用等效结构应力法对网格尺寸不敏感;分析了焊缝类型、承载方向及焊接板厚度对结构疲劳寿命的影响.结果表明,当载荷方向垂直于焊线且垂直板所在平面时,焊缝的寿命最低,且对接焊缝比角焊缝更易发生破坏;在三个方向惯性载荷共同作用下,角焊缝的疲劳寿命要比对接焊缝疲劳寿命长;在保证焊趾两侧刚度协调的前提下,同时增加两个焊接板件厚度可以提高焊缝的疲劳寿命,只增加或者减少一个板件厚度,都会导致焊缝疲劳寿命降低,尤其是角焊缝.     

基于等效结构应力法的制动梁疲劳寿命预测

焊接疲劳直接影响车辆行车安全,为评估外转39型转向架焊接制动梁的结构强度性能,运用有限元法对其进行了静强度分析,运用等效结构应力法对其焊接结构进行了疲劳寿命预测.并且对全尺寸实物进行了静载荷试验和疲劳试验,计算结果与试验结果基本一致,研究结果表明:外转39型制动梁强度设计满足相关标准要求;等效结构应力法具有工程应用推广价值.     

横隔板弧形缺口疲劳性能试验研究

为研究正交异性钢桥面板横隔板弧形缺口易损细节的受力特性和疲劳性能,根据某钢箱梁尺寸制作了单U肋足尺模型,进行了120 kN荷载幅的疲劳试验,并分别采用热点应力法和名义应力法评估了弧形缺口焊接细节及非焊接细节的疲劳寿命.试验结果表明,足尺模型两个弧形缺口焊缝端部位于U肋腹板上的焊趾处分别在经历31.7万次和58.3万次的加载后出现裂纹,焊接质量是两处细节疲劳性能差异显著的原因;100万次加载后未见其他新裂纹出现.基于IIW推荐的FAT90级和F100级两条热点应力S-N曲线对焊缝端部细节进行寿命评估时,位于U肋腹板上细节的疲劳寿命分别是35.2万次和48.8万次,位于横隔板母材上细节的疲劳寿命分别是161.9万次和224.0万次;基于Eurocode 3中的71级名义应力S-N曲线评估的弧形缺口自由边细节的疲劳寿命是302.2万次.研究结果表明,弧形缺口焊缝端部位于U肋腹板上细节最易出现疲劳裂纹,实际工程中应重点关注;推荐采用IIW中的FAT90级热点应力S-N曲线对该细节疲劳寿命进行评估.     

基于精细算法的焊接结构疲劳寿命预测方法研究

针对现有随机振动疲劳分析方法的局限性,在随机振动精细分析方法的基础上引入等效结构应力新方法来研究随机振动疲劳寿命问题.以随机振动的虚拟激励法结合分体耦合式振型分解法为基础的求解方法大幅提高了随机振动分析的计算效率,不必将计算模型大幅简化,保证了有限元模型的完整性.等效结构应力疲劳评估新方法是一种相对准确的计算焊接结构焊缝处疲劳寿命的方法,可有效解决现有分析方法的不足.通过建立某平车包括走行部结构在内的车辆整体结构动力学精细有限元模型,以轨道不平顺谱作为输入激励载荷进行随机振动计算,结合主S-N疲劳曲线法完成疲劳寿命评估,以工程实例证明该方法的可行性.     

转向架构架疲劳应力计算与评估

为评估某低地板车辆焊接转向架构架的疲劳强度,采用ANSYS有限元仿真软件搭建转向架构架三维有限元模型,分别计算母材、打磨的焊缝边缘部位和不打磨的焊缝边缘部位的3组包络线的许用应力,与11种动载荷的组合变化应力相比较,评价构架的疲劳强度是否满足设计要求。结果表明:转向架构架母材和打磨过的焊缝边缘部位疲劳强度满足要求;在转向架构架安全裕量较小的焊缝部位必须打磨才能满足疲劳强度要求。     

基于Kriging模型的焊接构架抗疲劳优化设计

利用Kriging近似模型技术,提出考虑焊接接头疲劳损伤约束的转向架焊接构架优化设计方法.根据国际焊接学会(IIW)的焊接接头与部件疲劳设计评估标准,基于Miner累积损伤理论,预测焊接接头的疲劳累积损伤;以板厚为设计变量,结构质量最小为目标,在尺寸约束的基础上,增加UIC515-4标准中超常载荷的最大应力、运营载荷的Goodman疲劳安全系数、疲劳试验过程焊接接头累积损伤为约束,创建焊接构架的抗疲劳优化模型;利用均匀设计法对10个设计变量进行120次试验创建Kriging近似模型,在近似模型上应用序列二次规划算法进行优化,在给定损伤要求下,构架质量减轻11.6%,此方法对复杂焊接结构的抗疲劳优化设计有一定的参考价值.     

基于ESS法的重载货车焊缝疲劳仿真

为验证ESS方法的有效性,以装甲钢T型焊接接头为对象,进行了仿真计算与疲劳试验,结果表明,ESS方法计算精度较高,试验与计算误差为18.8%.基于ESS法及静态应力恢复原理,对重载浴盆货车车体关键焊缝进行了疲劳仿真分析,获得了ESS分布规律及仿真结果,其中枕梁上盖板与中梁焊缝计算里程约为2 886万公里,有较高的安全裕度.