基于线路实测载荷的转向架构架台架试验方法研究

以高速列车转向架构架为研究对象，线路试验获取了转向架轴箱弹簧载荷和一系减振器载荷时程曲线，分析列车进出站、不同速度等级、载荷作用频率对弹簧载荷和一系减振器载荷的影响规律及载荷差异性。采用准静态加载台架试验得到弹簧载荷、一系减振器载荷与构架端部疲劳关键区域应力之间的传递关系，结合线路实测载荷计算得到应力响应曲线，进而获取构架在弹簧载荷、一系减振器载荷及两种载荷耦合作用下的疲劳损伤值。据疲劳损伤一致性理论计算车辆设计寿命里程下构架的弹簧等效载荷和一系减振器等效载荷，并建立基于等效载荷的疲劳损伤计算公式，确定弹簧等效载荷和一系减振器等效载荷的幅值大小及相位关系，最后形成了基于线路实测载荷的构架台架试验方法。研究表明，列车进出站时轴箱弹簧载荷出现较大的载荷波动，最大波动范围为17.48 kN，一系减振器载荷对低频位移响应不敏感；在相同线路条件下，随着列车运营速度的增大，轴箱弹簧载荷和一系减振器载荷均呈现增大趋势，其载荷作用频率主要分布在0～60 Hz范围内；同时在该频带内，随着载荷作用频率的增大，两种载荷间相位差不断减小，该变化规律与减振器动态特性有关。计算得到构架端部在弹簧载荷、一系减振器载...     

基于线路试验的转向架构架疲劳可靠性分析

为提升转向架构架疲劳可靠性分析的准确性,预防等效应力和疲劳强度随时间变化导致的疲劳失效,提出一种基于等效时变动态应力-强度干涉模型的疲劳可靠性分析方法。对预评估转向架构架进行线路试验跟踪测试,采用双参数雨流计数法对实测随机应力-时间历程进行处理,建立用于疲劳可靠性分析的应力谱,并根据Miner法则和疲劳损伤等效原则获得对称循环等效应力。结合连续时间模型和伊藤引理,构建等效应力和疲劳强度的一维布朗运动方程,并以疲劳强度大于等效应力为可靠性判据,提出转向架构架的等效时变动态应力-强度干涉模型,分析构架服役寿命与疲劳可靠度的关系。以某型号转向架构架横梁与吊座连接处为对象,基于实测线路试验数据,验证方法的有效性。结果表明：转向架构架服役1200万公里的疲劳可靠度为74.46%,较传统方法偏于安全。由于考虑了等效应力和疲劳强度的时变性与动态性,使得分析结果更加准确,可为焊接结构的疲劳可靠性评估与结构优化提供参考。     

基于非线性累积损伤理论的起重机桁架臂K节点疲劳寿命研究

起重机桁架臂焊缝数量多、受力状况复杂,K节点的疲劳寿命采用线性Palmgren-Miner(PM)法则进行计算的精度较差。提出了基于虚拟样机技术的"实测+仿真+比对+统计"组合策略的载荷谱获取方法,可以极大幅度降低实测应力谱的工作量和成本。首次将Huffman非线性累积损伤理论应用于桁架臂K节点疲劳寿命分析,通过设定焊接构件不同的初始损伤,得到了使计算疲劳寿命趋于适度保守的初始损伤建议值。疲劳试验结果表明:此方法比PM法则计算精度更高,由于只需要循环应力-应变曲线和常幅应变寿命曲线等少量的材料性能数据,计算简单,工程应用价值较大。     

地铁车辆转向架构架使用寿命评估试验方法

根据实测出的动态应变数据,采用载荷谱统计后,基于S-N(应力-寿命)曲线进行损伤计算,利用Miner损伤累积理论计算得到结构的使用寿命,为判定转向架构架静强度试验、疲劳试验及有限元计算分析等相关的技术文件的合理性提供依据。     

构架三种常用疲劳强度校核方法对比研究

对比分析转向架构架三种常用疲劳强度校核方法的差异。分别采用铁路标准中规定的载荷谱、多刚体系统动力学仿真(Multiple rigid body system dynamic simulation,MRBSDS)技术获取的载荷谱和线路动应力测试应力谱等三种方法对某型地铁拖车转向架构架进行疲劳强度校核。通过准静态叠加法将载荷谱转换为应力谱,准静态叠加法中给出应力响应因子(Stress response factor,SRF)的定义,方便载荷谱和应力谱之间的转换。对比方法是将三种方法获取的应力谱线性外推至100万km进行疲劳等效应力计算。计算结果表明,与线路试验相比,利用标准中规定的载荷谱进行疲劳强度校核略偏保守,MRBSDS方法获取的载荷谱无法准确预测疲劳寿命。应力谱频域分析发现,MRBSDS方法计算疲劳载荷谱应朝采用真实且含有高频信号的线路谱和刚柔耦合模型方向发展。     

基于动应力的地铁构架疲劳损伤与疲劳寿命计算

作为轨道车辆走行部的极关键结构,转向架构架的服役安全性受到极大重视与关注。以新设计的地铁车辆动车转向架样本构架为研究对象,基于其在位使用状态下的动应力进行疲劳损伤与疲劳寿命研究。结合车辆运行状态数据,研究构架关键部位的损伤分布特征,分析构架疲劳损伤快速累积的原因。针对样本构架关键部位：计算其裂纹萌生寿命;基于雨流计数后的应力幅子样完成应力幅分布核密度估计;建立裂纹扩展模型,采用蒙特卡洛法与反函数法计算构架关键部位不同运行里程下的累积失效概率。结果表明,构架累积失效概率随运行里程增加而快速增加,裂纹萌生后对应于97.5%可靠度的运营里程为3万km;构架疲劳寿命为裂纹萌生寿命与扩展寿命之和,97.5%可靠度下为48.39万km。研究结果为进一步提升构架抗疲劳设计、优化转向架检修周期提供研究基础。     

B型地铁转向架构架疲劳强度分析及试验研究

基于有限元分析与动应力试验结合的研究方式，提出一种以利用率为判据的疲劳强度评估方法。首先，依据EN13749及UIC615-4标准对转向架构架进行疲劳强度分析，计算构架结构材料利用率；其次，根据材料利用率确定动应力试验布点方案，进而对构架进行动应力试验，将试验所得的应力-时间历程转化为等效应力幅，并计算等效应力利用率；最后，基于两种利用率和Miner疲劳累计损伤法则评估转向架构架疲劳性能。研究结果表明：材料利用率可为动应力试验布点方案提供良好的理论参考，等效应力利用率可佐证有限元分析的正确性，综合两种利用率能够更精确的评估转向架构架疲劳强度。     

基于相关分析的高速列车构架载荷相位重构方法

针对高速列车构架载荷谱经雨流计数后丢失载荷之间的相互关系，使载荷谱预测关键应力点损伤与实际损伤偏差较大的问题，开展高速列车构架载荷相位重构方法研究。以某型高速列车转向架构架为研究对象，通过线路实测获得载荷时间历程和关键应力点时间历程，分析关键应力测点不同载荷系分量之间的相关性以及应力与载荷分量之间的相关性。在此基础上，结合试验台加载控制方式，建立载荷相关系数和载荷相位的关系，重构因雨流计数丢失的载荷相位信息，使载荷预测损伤更接近实测应力损伤。研究结果表明，构架载荷之间的相互关系保持稳定，是重构构架载荷相位矩阵的基础；重构的载荷相位矩阵使载荷预测应力与实测应力更接近，最大误差由104%降到6%；测试时间基本对相位矩阵无影响，不同线路条件和列车运行速度对相位矩阵有一定的影响，但平均误差均不超过10%。研究工作为分立载荷谱预测损伤提供了思路，并为载荷谱扩展台架试验奠定基础。     

基于非线性累积损伤的随机振动疲劳寿命分析

预测承受随机载荷结构件的疲劳寿命是一个复杂的问题,应用Miner线性损伤准则经常会得出偏于冒险的寿命预测。非线性累积损伤理论考虑了加载顺序对疲劳寿命的影响,精度更高,但计算繁琐,且未能用于频域寿命计算。文中给出了一种基于非线性累积损伤的随机振动疲劳寿命分析方法,该方法将频域疲劳寿命的预估结果平分为若干段,考虑顺序效应对每一段结果进行修正并叠加,得到修正的振动疲劳寿命结果,通过简单试验件试验验证了该方法的准确性,对于某加筋板结构在动力学准确建模、多轴应力等效的基础上进行寿命估算,结果证明了方法的有效性和工程可用性。     

疲劳损伤状态的模糊等效性试验研究

针对复杂载荷下以等效损伤假设为基础的材料疲劳寿命的估算误差较大的问题,基于模糊理论并结合耦合损伤概念提出模糊等效损伤假设,考虑加载顺序对疲劳损伤累积的影响来回避等效损伤假设。利用45钢材料进行了L-H和H-L加载顺序两级应力下的疲劳损伤累积规律验证,并选取16Mn材料的疲劳试验数据验证基于Miner线性损伤法则和本假设对材料疲劳寿命预测的准确性。结果表明,根据本假设计算的损伤量在两种加载顺序下均与试验值吻合良好,疲劳寿命估算结果比较接近于试验值,该假设以模糊理论为依据,为疲劳分析和寿命预测提供了一定的理论参考。     

Methodology to Evaluate Fatigue Damage of High-Speed Train Welded Bogie Frames Based on On-Track Dynamic Stress Test Data

The current method of estimating the fatigue life of railway structures is to calculating the equivalent stress amplitude based on the measured stress data. However, the random of the measured data is not considered. In this paper, a new method was established to compute the equivalent stress amplitude to evaluate the fatigue damage based on the measurable randomness, since the equivalent stress is the key parameter for assessment of structure fatigue life and load derivation. The equivalent stress amplitude of a high-speed train welded bogie frame was found to obey normal distribution under uniform operation route that verified by on-track dynamic stress data, and the proposed model is,in e ect, an improved version of the mathematical model used to calculate the equivalent stress amplitude. The data of a long-term, on-track dynamic stress test program was analyzed to find that the normal distribution parameters of equivalent stress amplitude values di er across di erent operation route. Thus, the fatigue damage of the high-speed train welded bogie frame can be evaluated by the proposed method if the running schedule of the train is known a priori. The results also showed that the equivalent stress amplitude of the region connected to the power system is more random than in other regions of the bogie frame.     

基于全域损伤测试建立的连续疲劳损伤模型

首先以韧性为损伤变量进行全域损伤曲线测试，以非线性损伤理论框架为基础，用测试曲线数据确定损伤变量参数表达形式，得到非线性连续疲劳损伤模型。该疲劳损伤模型与实验吻合。在此基础上导出复杂加载的寿命计算公式，并考虑平均应力影响。实验研究表明，在二级加载下该计算模型的预测结果是相当令人满意的。     

高速列车车体加速寿命试验载荷谱编制及分析

铝合金车体是高速列车的关键核心部件,设计中需要满足超长疲劳寿命要求。工程中,为避免实际运行中发生疲劳失效,同时降低试验成本,常采用加速寿命试验方法。采用车辆系统动力学方法计算获得车体随机载荷谱,对载荷谱进行处理,得到载荷频次图;基于FKM标准,编制三种载荷比下1×10⁷次循环对应的车体加速载荷谱;采用有限元法,分别施加三种载荷比条件下的载荷谱,得到对应的加速系数;分别采用线性及非线性损伤累积理论,分析载荷块谱的加载顺序对车体损伤累积的影响。得出结论：在原始载荷谱和加速载荷谱作用下,车体结构各点疲劳损伤均小于1,满足设计要求;分别提高载荷比至P=1/3和P=2/3,对应的加速系数为12.75和218.65;载荷谱加载顺序对车体疲劳累积损伤有影响：以P=2/3为例,高-低顺序载荷谱循环632次时,损伤值累积达1,而对应相同的损伤值,低-高顺序载荷谱仅需要循环614次。结果表明车体承受载荷存在低应力幅占优的特点,即低-高加载顺序具有更好的加速效果。对车体加速寿命试验载荷谱的编制及分析方法研究,为车体台架疲劳试验提供理论依据及科学指导。     

Theoretical research and experimental validation of elastic dynamic load spectra on bogie frame of high-speed train

When a train runs at high speeds, the external exciting frequencies approach the natural frequencies of bogie critical components, thereby inducing strong elastic vibrations. The present international reliability test evaluation standard and design criteria of bogie frames are all based on the quasi-static deformation hypothesis. Structural fatigue damage generated by structural elastic vibrations has not yet been included. In this paper, theoretical research and experimental validation are done on elastic dynamic load spectra on bogie frame of high-speed train. The construction of the load series that correspond to elastic dynamic deformation modes is studied. The simplified form of the load series is obtained. A theory of simplified dynamic load–time histories is then deduced. Measured data from the Beijing–Shanghai Dedicated Passenger Line are introduced to derive the simplified dynamic load–time histories. The simplified dynamic discrete load spectra of bogie frame are established. Based on the damage consistency criterion and a genetic algorithm, damage consistency calibration of the simplified dynamic load spectra is finally performed. The computed result proves that the simplified load series is reasonable. The calibrated damage that corresponds to the elastic dynamic discrete load spectra can cover the actual damage at the operating conditions. The calibrated damage satisfies the safety requirement of damage consistency criterion for bogie frame. This research is helpful for investigating the standardized load spectra of bogie frame of high-speed train.     

用剩余疲劳损伤强度预测机械零件疲劳可靠度及寿命的方法

提出在缺乏零件工作载荷谱时，进行该零件疲劳可靠性计计算的方法。用使用过一段时间的零件进行疲劳试验。根据这些试验数据统计出剩余疲劳损伤强度，并利用剩余疲劳损伤强度确定该元件在已使用期内的累积疲劳损伤量。然后用疲劳累积损伤可靠性模型进行零件疲劳可靠性设计计算。     

基于二元疲劳失效判据的非线性疲劳损伤累积模型及其强度退化研究

二元疲劳失效判据认为疲劳破坏是由损伤程度和当前作用应力这两个量共同决定的,由此观点出发定义了非线性损伤,并建立了与载荷状态有关的非线性损伤累积模型,推导了在多级加载下的递推公式。经两种金属材料的疲劳试验数据验证表明,用该模型预测疲劳寿命,其结果是令人满意的。从疲劳过程本质上是材料静强度不断退化的过程的观点出发,建立了基于二元疲劳失效判据的非线性强度退化模型,将模型应用于两级及多级载荷下的剩余寿命估算,结果表明,所提出的剩余强度退化模型是合理可行的。

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块谱内部载荷排序对结构疲劳寿命的影响

载荷次序的影响一直是疲劳累积损伤研究的热点话题,载荷的大小、级数、块谱外载荷次序及块谱内载荷次序的影响规律亟待探究。选取3种载荷范围,并按线性将其分为4、10、100级谱块与4、10、100级单峰值排序。通过线性累积损伤理论和两种经典非线性累积损伤理论,对以上各种情况进行累积损伤计算,得出载荷排序对载荷大小、级数、谱块内部、单级载荷次序的影响规律。     

基于线性疲劳累积损伤理论的直齿圆锥齿轮传动可靠度计算

线性疲劳累积损伤可靠性理论认为零部件的可靠度取决于抗疲劳损伤强度大于疲劳损伤量的概率,本文将此理论应用于直齿圆锥齿轮传动的可靠性设计,建立单级载荷谱工况下可靠度计算模型,通过分析和计算直齿圆锥齿轮设计算例,结果验证了基于线性疲劳累积损伤理论的可靠度计算模型在直齿圆锥齿轮传动可靠度计算中的可行性与合理性,为机械零部件的可靠性设计提供了理论依据。