地铁转向架排障器的结构改进及疲劳性能评估

针对某线路地铁列车在服役过程出现的转向架排障器断裂和边缘裂纹萌生现象,分析其故障原因,提出一种有限元分析与动应力试验相结合的疲劳性能评估方法,以验证改进排障器结构设计的合理性.首先,对出现断裂或边缘裂纹的排障器结构从设计及结构、制造和原材料方面进行综合分析,提出相应的结构改进方案.其次,依据EN13749标准对新型排障器结构进行静强度和疲劳强度分析,明确其危险部位.再次,综合考虑仿真分析结果及操作空间确定应变片布置方案,对其进行线路试验测试.最后,采用Miner线性累计损伤法则和IIW推荐的S-N曲线评估排障器的疲劳性能.结果表明:基于有限元分析和动应力试验的新型排障器疲劳性能均满足要求,二者相互佐证进一步验证新型结构设计的合理性,同时仿真分析结果为合理布置测点提供了理论参考.     

考虑齿轮传动影响的高速动车组电机吊架载荷及动应力研究

针对CRH3型高速动车组电机吊架焊接结构,结合有限元法和刚柔耦合多体动力学法建立考虑齿轮传动系统的啮合振动的高速列车动车整车动力学模型,仿真计算得到电机吊架在列车加速和匀速运行工况下的动载荷;利用准静态应力法计算两种工况下电机吊架上危险节点的动应力,通过对比吊架上危险节点动应力的模拟计算结果和线路实测结果研究齿轮传动系统的啮合振动对车辆运行中电机吊架所受载荷及其上危险位置动应力的影响。结果表明:在齿轮传动系统啮合振动的影响下,电机吊架的动载荷及其结构危险节点的动应力显著增大,垂向振动加剧,而且动应力仿真结果与线路实测结果更接近。因此,在对高速列车结构件进行动应力仿真时,为了更准确地仿真结构振动对动应力仿真结果的影响,应该在结构件弹性化的基础上,同时考虑齿轮传动系统啮合振动的影响。     

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。     

基于高频振动的天线梁疲劳研究

针对地铁线路运营过程中频繁出现的天线梁疲劳失效问题开展动应力和振动加速度测试研究。根据动应力测试数据,分析天线梁薄弱处的疲劳寿命,对天线梁进行PolyMAX法模态识别找出其低阶固有频率以及振动频谱分析找出其振动特性传递规律。分析结果表明:天线梁ATP吊座与主管连接的焊缝处发生共振而出现高应力循环,其应力水平和作用频率远高于设计水平,在运营中极易发生疲劳失效。同时基于工程应用方案,对天线梁应力集中部位增加加强筋进行结构优化,测试结果表明,加强筋增加了结构强度、有效减小了动应力的幅值,但没有避开共振。最后基于试验数据和仿真结合,提出了减轻质量提高固有频率以及动力吸振装置来降低振动。结合实际振动环境,要求天线梁的设计应该有效的避开工作模态,而不是仅仅优化局部强度,为动态结构的设计提供新思路。     

基于试验和仿真的国外新型钢材客车焊接结构疲劳性能研究

以出口国外的某款客车为研究对象,使用了试验测试和有限元仿真相结合的方法开展客车焊接结构疲劳性能的研究。首先,利用标准样件进行静力拉伸试验和十字焊接接头的拉压疲劳试验,获取了疲劳分析所需要的国外新型钢材的S-N曲线相关参数;其次,建立了焊缝的有限元模型,疲劳分析结果与焊接接头的拉压疲劳寿命试验结果进行对标,验证了焊缝模型建立的正确性;最后,建立了客车的整车有限元模型,对客户实际道路发生疲劳断裂的重点部位进行疲劳仿真,分析结果与车辆实际失效吻合,为客车焊接结构的疲劳性能研究提供了有效的技术方法和手段。     

地铁悬挂设备用工装结构的评价方法

随着城市化进程的发展,地铁作为解决城市化拥堵的有效解决方式已经进入了高速发展阶段。地铁的安全运行必然是最重要的考量因素。以轮缘润滑装置的工装为例,重点讨论悬挂工装结构的评价至少应考虑疲劳强度、动态分析及所选螺栓的评价。根据轮缘润滑装置的结构及车体接口尺寸、其它有可能干涉的机械结构设计出轮缘润滑装置的悬挂工装。考虑到悬挂工装一般受到车体施加的振动载荷,首先依据EN 12663计算工装在运营工况下的疲劳载荷,对三维实体模型进行结构的网格离散化,再利用ANSYS软件计算出工装疲劳应力;而后根据工装的工作状态,计算出其约束状态的共振频率。根据有限元的计算结果提出螺栓所受载荷,并根据VDI 2230中的要求对螺栓进行评价。最后结表明工装的疲劳应力小于所选材料的疲劳极限,模态分析标明工装的固有频率远离车体的振动频率,螺栓的预紧力、静强度及疲劳强度也满足要求,因此设计的工装合理可行。     

汽车座椅骨架焊缝的疲劳寿命预估方法研究

针对座椅骨架的疲劳强度进行分析,尤其是骨架中焊缝的疲劳方法进行研究分析;首先建立座椅骨架及焊缝的有限元模型,分别基于Hypermesh软件,使用Block Lanczos法进行了计算模态分析,基于LMS Test.lab软件,使用锤击法进行了试验模态分析,对有限元模型进行校验,并确定了焊缝的材料属性;对校验后的有限元模型进行静力分析得出结构强度薄弱的位置,尤其是危险焊缝的位置;进而基于Ncode软件采用Miner损伤法则,在针对特定焊缝类型进行应力修正,计算出其疲劳寿命;根据企业的疲劳试验结果,对该方法进行验证分析,结果表明此疲劳计算方法对座椅骨架焊缝的寿命预估准确有效,为分析和改善该类座椅骨架的焊接寿命奠定了基础,为此类结构的设计与优化提供了参考.     

地铁车辆轴箱吊耳断裂机理和试验研究

地铁车辆在正常运营过程中发生轴箱吊耳断裂问题,采用有限元分析方法和线路试验开展断裂机理研究,并对吊耳振动水平进行评估。通过分析振动激扰源和结构响应特性,确定断裂原因和提出解决方案并进行试验验证。仿真表明吊耳第一阶固有模态为横向弯曲,主频约260 Hz;吊耳根部内圆弧处为强度薄弱点,与现场裂纹位置吻合。试验表明轴箱体、吊耳振动水平与线路区间相关,钢轨波磨是导致车辆振动水平激增的主因,波长61.5 mm;钢轨波磨波长、车辆常用速度共同作用导致波磨频率在吊耳固有模态频带内,导致结构共振从而引发疲劳破坏,提出钢轨打磨、优化吊耳结构设计和使用管理条件等解决措施。开展钢轨打磨效果验证性试验,表明钢轨打磨可显著降低吊耳加速度水平,使结构应力降低50%以上,但部分线路仍存在轻微波磨,可根据车辆振动数据特征对波磨路段进行定位从而再次进行打磨。     

服役条件下的地铁天线梁疲劳损伤研究

以国内某型地铁天线梁结构为研究对象,建立了包含柔性体天线梁的刚柔耦合动力学模型,对实际线路以不同曲率半径曲线以及直线进行组合,并划分为四个阶段,以此模拟实际线路工况;基于车轮一个镟修周期内的四个阶段车轮径跳量跟踪测量数据,对镟修周期内的车轮多边形状态参数(阶数、幅值)进行区分,以此模拟车辆服役条件下实际的车轮不圆状态。通过有限元软件ANSYS及动力学软件SIMPACK联合仿真得到天线梁动态应力历程,并依据AAR标准进行平均应力的修正,结合天线梁材料的S-N曲线,采用Miner疲劳损伤累积法将一个镟修周期内的损伤进行200万km全寿命里程下线性外推,获得全寿命里程下的天线梁疲劳损伤,仿真结果表明疲劳损伤不满足全寿命疲劳要求。同时,对天线梁在不同阶段动应力显著不同进行了分析,结果表明由车轮多边形产生的43～53Hz激励传递到了天线梁,引起天线梁共振效应,故而第三、四阶段产生较大动应力。     

重型切削过程硬质合金刀片的冲击破损行为

应用机械冲击理论分析重型硬质合金车刀冲击断裂过程,并确立其产生冲击断裂的临界条件;采用有限元仿真的方法,分析研究重型硬质合金车刀冲击断裂产生机理及破损形式,并通过冲击试验揭示硬质合金车刀冲击断裂规律。对重型硬质合金车刀疲劳行为进行研究,通过有限元仿真分析方法,提出动态载荷下硬质合金疲劳断裂产生机制,并给出硬质合金疲劳断裂的载荷条件;通过断续切削试验,研究分析导致硬质合金刀具疲劳行为产生的本质原因,以期为预防硬质合金刀具过早出现失效提供理论支持和借鉴。     

风力发电机塔筒顶部法兰的有限元分析

使用非线性有限元软件MSC.Marc/Mentat建立风力发电机塔筒顶部法兰联接的有限元模型,施加合理的边界条件和载荷后,通过非线性接触分析得到在预紧工况和极限工况下各组件的应力分布和变化情况,并对塔筒顶部法兰接触面进行安全性校核和塔筒顶部法兰与塔筒筒体焊缝处的疲劳寿命分析。分析结果表明,该塔筒顶部法兰的强度、安全性和焊缝处的疲劳寿命均满足设计要求,且结果为大型风力发电机法兰合理设计和性能强化提供了科学依据。     

重载板梁结构弱翼缘贴角焊缝的可行性研究

重载桥式起重机板焊接主梁翼缘与腹板间焊缝受力复杂,对该焊缝进行合理设计是结构承载安全的关键之一。对于800 t桥式起重机主梁翼缘板厚51 mm、腹板厚16 mm时其间焊缝采用比国内标准推荐值小很多的8 mm单边贴脚焊缝的情况,通过用有限元子模型方法分析了焊缝应力分布,得到了较精确应力分析结果。子模型分析通过了壳-壳子模型验证整体模型网格疏密的精度。通过对壳-体子模型加接触分析,对焊缝进行了网格加密精确分析,验证了较厚翼缘板和较薄腹板焊接时采用更小焊脚尺寸角焊缝的可行性。该分析结论可以引导相似条件时设置弱单边贴角焊缝,以减少焊接量降低制造成本。     

A numerical study on dynamic characteristics of a catenary

Dynamic characteristics of a catenary that supplies electrical power to high-speed railway is investigated. The catenary is a slender structure composed of repeating spans. Each span is in turn composed of the contact and messenger wires connected by the hangers in regular intervals. A finite element based dynamic model is developed, and numerical simulations are performed to determine the dynamic characteristics of the catenary. The influence of the structural parameters on the response characteristics is investigated. The structural parameters considered include tension on the contact and messenger wires, stiffness of the hangers, and the hanger and span spacing. The hanger characteristics are found to be the dominant factors that influence the overall dynamic characteristics of the catenary.     

场桥轨道焊接接头形式对焊接残余应力的影响

针对轨道焊接接头容易产生疲劳裂纹问题,利用Abaqus有限元分析软件分别模拟计算了横角焊、船型焊焊接残余应力,并以此研究了轨道焊接疲劳性。从分析结果可以看出,一道船型焊时,其应力集中最小,而采用横角一道焊时,应力集中最大,易从轨道侧焊趾位置开裂,与现场裂纹位置相吻合。     

Gear crack propagation investigations

Analytical and experimental studies were performed to investigate the effect of gear rim thickness on crack propagation life. The FRANC (FRacture Analysis Code) computer program was used to simulate crack propagation. The FRANC program used principles of linear elastic fracture mechanics, finite element modelling, and a unique re-meshing scheme to determine crack tip stress distributions, estimate stress intensity factors, and model crack propagation. Various fatigue crack growth models were used to estimate crack propagation life, based on the calculated stress intensity factors. Experimental tests were performed in a gear fatigue rig to validate predicted crack propagation results. Test gears were installed with special crack propagation gauges in the tooth fillet region to measure bending fatigue crack growth. Good correlation between predicted and measured crack growth was achieved when the fatigue crack closure concept was introduced into the analysis. As the gear rim thickness decreased, the compressive cyclic stress in the gear tooth fillet region increased. This retarded crack growth and increased the number of crack propagation cycles to failure.     

Finite element analysis of the residual stresses in T-joint fillet welds made of similar and dissimilar steels

In this paper, weld residual stress analyses are performed for T-joint fillet welds made of similar and dissimilar steels. Three-dimensional uncoupled thermo-mechanical finite element model which can accurately capture residual stresses in a weld piece is developed in order to predict the residual stress states in the fillet-welded T-joint. Results show that the maximum longitudinal residual stresses near the weld toes of the similar steel welds increase with increasing yield stress of the steel welded. For the dissimilar steel welds, the overall trend, shape and magnitude of the residual stress profiles in flange and web are similar to those of the corresponding similar steel welds despite the slight difference between the residual stresses in parts at which the flange and web come in contact with each other.     

不同强度理论在曲轴疲劳研究中的对比应用

采用有限元法对曲轴在弯矩载荷作用下的应力状态进行分析,并结合插值法对曲轴的应力分布进行拟合计算,在此基础上采用临界距离法与不同强度理论对相同材料、不同圆角半径的曲轴的结构疲劳特性进行预测研究,并对预测结果进行试验验证。研究结果表明：当基于第一强度理论与临界距离法对圆角半径不同的曲轴的疲劳特性进行预测时,无论是临界点法还是临界线法都会造成较大误差;而当基于第三及第四强度理论与临界距离法进行预测时,临界线法比临界点法的预测精度更高,分析认为这是由曲轴的破坏类型造成的。     

应力集中和表面完整性对平尾大轴抗疲劳性能的影响

某型飞机平尾轴在进行台架试验时发生断裂,失效分析表明,该轴的断裂性质为疲劳断裂,裂纹起源于大轴筒体内腔变截面过渡圆弧根部的加工刀痕谷底。通过对大轴进行扫描电镜观察分析,发现使用过的旧大轴内表面存在10～16 μm厚的“疏松”层,疏松层内有较多的疲劳微裂纹和孔洞,该“疏松”层是大轴服役中氧化腐蚀和疲劳损伤所形成的。“疏松”层的存在破坏了大轴的表面完整性,降低了大轴材料的抗疲劳性能。有限元建模分析表明,变截面台阶造成的结构应力集中和粗糙加工刀痕形成的附加应力集中是造成大轴疲劳断裂的力学因素,两种应力集中因素的联合作用降低了大轴的疲劳寿命,导致大轴在变截面过渡圆弧根部的加工刀痕谷底萌生疲劳裂纹。综合分析表明,大轴内表面“疏松”层的存在以及变截面台阶造成的结构应力集中和粗糙加工刀痕形成的附加应力集中是大轴发生疲劳断裂的主要原因。     

某扭转梁扭转疲劳工况应力分析以及结构优化

针对某扭转梁在扭转疲劳试验过程中出现的裂纹现象,采用有限元法对扭转梁进行应力分析,结合计算结果给出优化改进措施,对该扭转梁的横梁加强板进行结构优化,横梁加强板开裂问题得到解决。     

回转窑液压挡轮的应力强度与疲劳断裂分析

运用有限元技术对一台大型沥青焦回转窑设备中发生断裂事故的液压挡轮部件进行强度失效分析及疲劳寿命估算.通过断口形貌分析和金相实验,得出失效机理为疲劳断裂的定性结论.利用Ansys软件建立挡轮的有限元模型,计算出应力和变形等一系列结果.在确定交变应力幅值及裂纹尖端应力强度因子的基础上,利用Paris公式预算含缺陷挡轮的疲劳寿命.在选材及造型设计上对挡轮提出改进方案,将韧性较差的铸钢材料替换为韧性较好的锻钢材料,并优化挡轮轮辐减重孔直径,提高挡轮的疲劳寿命,从而在强度及韧性上均达到最优.设计长期交变应力状态下的工件必须兼顾材料的强度、韧性及其造型优化,这一结论对各类动态承载机械零部件的设计均具有参考价值.