基于疲劳和13°冲击性能的组装式车轮优化设计

为了研究车轮的13°冲击性能,提出了一种基于疲劳和13°冲击性能的车轮结构设计和优化方法。以16×61/2J型车轮为研究对象,基于动态弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验对车轮进行了联合拓扑优化,设计了一个镁合金轮辋和铝合金轮辐的组装式车轮结构。建立了组装式车轮13°冲击试验的有限元模型,基于不同应变率下AZ91D镁合金和6061铝合金的材料本构模型分别分析了冲锤正对辐条和正对窗口冲击两种工况下车轮的应变,并研究了13°冲击性能与车轮结构之间的关系。利用网格变形技术建立了组装式车轮在两种工况下的参数化模型并定义了12个设计变量,使用Isight软件平台集成DEP-MeshWorks和LS-DYNA软件建立车轮多目标优化模型,利用最优拉丁超立方和Box-Behnken设计拟合了径向基RBF网络近似模型并验证了近似模型的精度。利用所建立的近似模型,以车轮质量和冲锤正对辐条冲击时轮辐的最大应变最小为目标,其余应变为约束,采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对车轮进行了多目标优化设计。得到了Pareto前沿,综合考虑了车轮13°冲击性能条件下,选取了一个妥协解作为优化设计结果。结果表明:在满足车轮各项13°冲击性能要求的条件下,优化得到的组装式车轮与同型铸造铝合金车轮相比减重30.65%。     

CRH5型高速动车组车轮轮辋疲劳寿命分析

根据国内外车轮相关标准,采用基于有限元法的疲劳寿命分析方法分析了动车组车轮轮辋疲劳寿命。根据UIC510-5和BS EN13979标准,确定了车轮运行过程中的载荷工况,进而编制了动车组车轮在不同工况下的载荷谱。借助有限元软件分析了不同工况下动车组车轮的应力状态并获得了轮辋危险部位的应力谱,结合轮辋材料的S-N曲线和Miner法则对直道、弯道和道岔工况下车轮轮辋危险部位的疲劳寿命进行了估计。结果表明:道岔工况对轮辋危险部位寿命影响最为严重,而直道和弯道的影响相对较小。分析结果为确定车轮的安全检修周期提供了一定的理论依据,对高速动车组的安全运行有实际指导意义。     

车轮90°冲击试验的仿真分析和多目标优化设计

建立了16英寸组装式车轮90°冲击试验仿真模型,综合考虑车轮的材料特性、结构参数和90°冲击性能,提出了车轮多目标轻量化设计方法。分析了冲锤正对轮辐窗口冲击和冲锤正对轮辐气门嘴窗口冲击工况下,车轮轮辋和轮辐的塑性应变和变形量。利用网格变形技术建立组装式车轮90°冲击参数化模型并定义设计变量,以质量和90°冲击各项性能为优化目标,使用Isight优化平台集成DEP-MeshWorks和LS-DYNA软件进行最优拉丁超立方设计和Hammersley设计,拟合目标响应值的Kriging近似模型并验证其精度,采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对车轮进行了多目标优化设计。优化得到的组装式车轮与同型铸造铝合金车轮相比,质量减少了28.28%。依据车轮90°冲击试验标准,对优化后的车轮进行试验,对比车轮各测点等效应变和最大加速度的仿真与试验值,得出车轮90°冲击仿真结果精度较高。     

疲劳寿命约束下的连续体结构拓扑优化

在连续体结构拓扑优化设计中,优化模型通常考虑强度、刚度、稳定性等力学性能.为研究在结构优化设计中疲劳特性对于结构拓扑的影响,基于独立、连续、映射(independent continuous mapping, ICM)拓扑优化方法,引入了疲劳寿命过滤函数,提出了连续体结构疲劳拓扑优化的模型和求解方法.建立以结构质量最小为目标、疲劳寿命为约束的连续体疲劳拓扑优化模型,通过将疲劳寿命约束转化为应力约束,对优化模型进行了求解.数值算例对比了不同刚度过滤函数、疲劳寿命过滤函数的系数,得到了过滤函数系数对结构质量与结构构型的影响规律;研究了疲劳寿命和应力分别作为约束时拓扑优化结果的差异性,给出了不同的循环外载荷工况情况下的算例,得出了随循环外载荷变化时的结构质量及结构构型.研究结果验证了连续体疲劳拓扑优化理论的有效性与可行性.     

基于ANSYS Workbench的电动车车架疲劳分析

为优化电动车车架设计及后续改进,通过三维软件Solidworks对电动自行车车架进行三维建模,并导入ANSYS Workbench软件从而获得有限元模型.根据车架实际试验要求,对有限元模型进行结构的静力分析,获得车架各部分应力应变情况,随后分别进行恒定载荷疲劳分析和随机载荷疲劳分析;在此基础上,对车架在不同工况环境下的寿命进行分析评估,探讨不同工况下寿命随载荷的变化情况,找出应力集中部位和容易产生失效的部位.     

基于多轴载荷投影构建轮辋双轴疲劳损伤模型

针对轮辋疲劳试验载荷谱编制过程中损伤等价和试验加速的难点,结合轮辋结构自身特点,从损伤等效的角度对实际工况中轮辋承受的载荷进行了较为全面系统的分析,引入了多轴载荷投影的概念,构建了轮辋双轴疲劳损伤模型,在此基础上提出轮辋双轴疲劳试验载荷谱编制和试验加速的方法。在公共道路典型路面实车采集了约5000 km车轮轮辋时域数据,采用本文方法对获得的数据开展了轮辋双轴疲劳损伤的等效分析。结果表明：相较于单轴的轮辋径向疲劳试验和弯曲疲劳试验,本文提出的轮辋双轴疲劳试验方法在复现实际工况损伤方面具有显著的优越性。     

动车水箱疲劳振动试验及数值模拟研究

轨道车辆及车载设备大量使用焊接结构,其在振动载荷作用下的疲劳破坏通常发生在焊缝处.针对动车水箱焊缝疲劳寿命开展随机振动台架试验及数值仿真研究.在台架试验中,按试验规范输入强化加速度随机振动自功率谱,检验该水箱是否满足疲劳寿命的要求.在进行数值模拟研究中,按试验工况条件建立水箱疲劳寿命仿真模型,其中将振动试验的激振信号作为仿真的输入载荷,采用壳单元建立水箱构件及焊缝的有限元模型,通过附加质量等效内部液体,根据BS7608标准确定相应焊缝的S-N曲线,采用名义应力法预测水箱焊缝在试验工况下的疲劳寿命.仿真所得焊缝失效部位及疲劳寿命与振动台架试验结果基本吻合,说明该焊缝疲劳寿命预测方法的正确性,为焊接结构疲劳设计提供有效的分析算法.     

考虑焊缝疲劳的工程车轮弯曲疲劳寿命分析

工程车轮作为一种典型的焊接结构件,其结构中包含多条焊缝,在车轮弯曲疲劳试验过程中,焊缝承受着较大的动应力,极易产生应力集中并导致裂纹萌生.为对焊缝处进行疲劳分析,在采用逆向工程技术创建包含焊缝在内的工程车轮三维实体模型的基础上,建立了车轮弯曲疲劳分析的有限元模型,分别选择名义应力法和BS7608标准对车轮焊缝区和非焊缝区进行疲劳分析,得到工程车轮的弯曲疲劳寿命,与不考虑焊缝的车轮弯曲疲劳寿命对比,工程车轮弯曲疲劳最危险的位置为轮辐和轮辋角接焊缝处而非轮辐的螺栓孔附近.最后对上述仿真和计算结果进行了试验验证,证明了包含焊缝的车轮有限元模型和分析方法的正确性.     

用改进的史密斯公式预测汽车车轮疲劳寿命

根据疲劳寿命预测理论,将史密斯公式作适当的改进,使之包含影响高周疲劳寿命的因素。引用LBF研究所的八级载荷谱作为车轮工作时的载荷谱,用有限元分析的应力值作为基本参数,将改进后的史密斯公式用于车轮的疲劳寿命预测,并以车轮弯曲疲劳试验结果验证此种方法预测寿命的可信性。     

基于柴油机考核工况的曲轴疲劳耐久性模拟试验方法

针对曲轴耐久性试验周期长、费用高等问题,提出一种基于柴油机台架考核试验的曲轴疲劳耐久性模拟试验方法.该方法使用有限元瞬态分析计算获得曲轴在4种主要考核工况下的应力时间历程,按不同工况考核时间比例编制了疲劳载荷谱,根据疲劳损伤累积理论计算出曲轴可持续工作时间,并提出了耐久性评价方法.以某曲轴为例,叙述了模拟试验方法的应用过程.应用结果表明,该方法可以对曲轴考核工况的耐久性进行模拟,也可用于曲轴设计时的疲劳寿命预测.     

弹性车轮动刚度与随机振动疲劳仿真分析

在城市轨道交通中,弹性车轮作为列车的主要承载部件,在减振降噪方面发挥着极大的作用。为了进一步探究某型弹性车轮相对于刚性车轮在减振降噪方面的优势,在弹性车轮建模方法和对弹性车轮中橡胶材料本构模型研究的基础上,利用Hypermesh软件建立了弹性车轮和刚性车轮的有限元模型,基于Optistruct模块对弹性车轮和刚性车轮的动刚度进行仿真分析,得出了两者在相同测试点的速度、加速度频率响应曲线,结果表明弹性车轮在高频率区间内具有显著的减振效果。另外在Ansys软件中对该型弹性车轮在随机振动条件下的疲劳寿命进行了预测,通过分析车轮的等效应力分布云图和疲劳寿命分布云图,对弹性车轮应力集中部位进行尺寸改进,结果表明改进后弹性车轮的疲劳寿命显著提高。     

Q345圆钢杆的疲劳破坏模型

为研究结构钢圆杆的疲劳破坏模型,以结构钢的椭球面断裂模型为开裂判据,由结构钢圆杆疲劳裂纹的裂尖真实应力场,计算出结构钢圆杆疲劳裂纹的失稳扩展面积、稳定扩展面积和稳定扩展长度.基于结构钢疲劳裂纹随加载次数加速扩展的试验事实,假定结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率是循环加载次数的单调递增幂函数,即双对数坐标系下结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率和循环加载次数为单调递增线性函数,积分后得到结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展长度和疲劳寿命间的函数表达式,导出结构钢圆杆的疲劳破坏模型.建议的结构钢圆杆的疲劳破坏模型表明,结构钢圆杆的疲劳寿命是名义最大应力、相对应力幅、初始裂纹位置和初始裂纹长度的复杂函数,不能简单化为仅是应力幅的函数.对Q345B圆钢杆进行了常幅循环应力疲劳试验,结果表明,Q345B圆钢杆的疲劳寿命随相对应力幅和名义最大应力的增加而降低.根据Q345B圆钢杆的疲劳试验结果,标定了其疲劳破坏模型参数,验证了建议的疲劳破坏模型精度.     

铝轮毂疲劳试验仿真分析方法的研究

为了研究铝轮毂的疲劳试验仿真方法,以铝轮毂弯曲疲劳试验为例,应用MSC.Software系列软件实现了该产品试验的疲劳仿真分析,详细地探讨了疲劳仿真分析技术的流程及实现过程,从仿真分析计算所得的疲劳寿命云图中,可直观地判断出该车轮的疲劳发生的危险区域,从而实现了在产品设计阶段对产品疲劳寿命的预测,为其改进设计提供了计算依据.     

基于ABAQUS的汽车铝合金车轮旋转弯曲试验的数值模拟

基于旋转弯曲试验,运用有限元分析软件ABAQUS建立某铝合金车轮有限元模型,进行了车轮旋转弯曲疲劳试验的数值模拟,分析了车轮结构的薄弱处,并进行了改进设计．同时,对改进前后的车轮进行了实际的旋转弯曲台架试验,改进后的车轮通过了实际试验,与数值模拟结果一致．研究表明,有限元方法可以较好地模拟铝合金车轮旋转弯曲试验．     

基于盲数理论的电动轮自卸车A型架区间 疲劳强度分析与优化

由于电动轮自卸车A型架制造工艺及使用环境的不确定性极易引起材料参数的改变,因此将A型架疲劳强度定义为一区间值。为避免电动轮自卸车A型架在满载下坡转弯制动工况下因区间疲劳强度不足造成疲劳失效,首先基于盲数理论分析了电动轮自卸车A型架区间疲劳强度,其区间值为142.32～256.86MPa。其次,充分考虑其设计、制造及使用过程中的不确定性因素,将设计阶段的A型架钢板结构尺寸、制造阶段的焊缝材料参数及使用阶段的关键铰接位置载荷作为随机变量,利用拉丁超立方法对其抽样,通过弹塑性有限元模拟获取周期载荷作用下的随机变量响应值,得到A型架区间应力值为95.01～153.50 MPa。通过对比,A型架区间应力值与区间疲劳强度发生干涉。最后,基于响应面法对随机变量建立疲劳可靠性功能函数,利用遗传算法开展A型架区间疲劳强度优化设计。结果表明:优化后的A型架区间应力最大值为134.50 MPa,小于区间疲劳强度最小值,从而保证了A型架的疲劳可靠性。     

新型钢桥面铺装结构的力学性能分析

针对目前正交异性钢桥面铺装层常见的裂缝、推移、局部拥包等破坏形式,应用有限元法对新型桥面铺装结构,分析不同位置的荷载对铺装层最大拉应力和表面最大竖向位移、最大剪应力的影响,并与传统的沥青混凝土铺装结构进行对比分析。分析结果表明：采用新型的铺装结构比沥青混凝土铺装结构的最大拉应力、表面最大竖向位移、铺装层表面和底面的最大剪应力都有一定程度的降低,因此能较好的控制钢桥面铺装层的破坏。在采用新型桥面铺装结构时应以铺装层横向最大拉应力、最大横向剪应力作为铺装层开裂破坏控制指标。研究结果可以为大跨径钢箱梁桥面铺装设计提供理论参考.     

考虑铆钉位置不确定性的异种轻质金属铆接接头疲劳寿命优化

针对铆钉位置坐标对铆接接头疲劳寿命的影响问题,采用单行替换法来实现了铆接接头的寿命优化。首先,对铝合金自冲铆接接头进行单调拉伸和疲劳试验研究,通过试验数据拟合获得S-N曲线。然后,建立自冲铆接结构的有限元模型,通过Abaqus进行循环载荷作用下的铆接接头力学分析,研究了铆接点位置对铆接接头力学性能的影响。最后,将铆接点的坐标作为设计变量,铆接结构疲劳寿命为优化目标,基于单行替换法进行全局寻优,获得了铆接接头最大疲劳寿命时的位置坐标,为技术人员开展铆接接头设计提供了参考依据。     

拉—拉变幅载荷下45钢切口件疲劳寿命的分布及其模拟

根据45钢切口件疲劳寿命表达式中疲劳抗力系数和疲劳门槛值物理意义及概率分布,提出了一种新的模拟45钢切口件变幅载荷下疲劳寿命实验及其分布的方法,并与拉－拉变幅载荷下的实验结果进行了比较,结果表明,45钢切口件在变幅载荷下的疲劳寿命分布的模拟结果服从对数正态分布,并与实验结果符合得很好。     

大跨度钢箱梁斜拉桥钢–UHPC组合桥面加固效果评估

为评估钢-UHPC（超高性能混凝土,Ultra-High Performance Concrete）组合桥面对大跨度钢箱梁斜拉桥的加固效果,基于随机车流下应力监测数据,结合《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）对钢-UHPC组合桥面和ERE（冷拌环氧树脂,Epoxy bond chips layer+ Resin asphalt+ Epoxy bond chips layer）桥面的疲劳性能进行了对比评估。利用Miner线性累积损伤准则计算了两种桥面各疲劳易损细节的剩余疲劳寿命。建立有限元模型,对钢-UHPC组合桥面UHPC层的抗裂性能进行了验算;计算了两种桥面钢桥面板的最大挠度及沥青铺装层的最大拉应力。结果表明： ERE桥面面板-纵肋焊缝纵肋侧、横隔板弧形切口和纵肋对接焊缝处存在较大应力,剩余疲劳寿命分别为214、186、61年;ERE桥面纵肋对接焊缝处在桥梁设计基准期内有疲劳破坏的风险;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性板各疲劳易损细节最大应力幅值均降低到常幅疲劳极限以下,剩余疲劳寿命增长为无穷大;钢-UHPC组合桥面UHPC层的最大拉应力为4.68MPa,抗裂性能满足规范设计要求;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性桥面刚度提升效果明显;加固后,钢桥面板挠度降幅为34%,最大挠度为0.69mm;沥青铺装层最大拉应力降幅为59%,最大拉应力为0.42MPa。经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能满足规范设计要求,桥面铺装层的抗裂性能也有所改善。     

统计分析在钢构桥梁疲劳寿命评估中的应用

引入概率统计方法,将影响钢结构桥梁疲劳寿命的各变量看成随机的,对其疲劳寿命进行可靠性评估．通过对3种不同应力脉水平下的疲劳试验结果分析,认为疲劳寿命服从对数正态分布．采用回归分析方法进行统计推断,得到应力脉和疲劳寿命的幂函数关系式的参数,进而对钢构桥梁疲劳寿命进行预测评估．