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。     

高速列车转向架构架损伤、等效应力及寿命分布特性研究

为分析高速列车转向架构架损伤、等效应力及寿命分布特性,对构架疲劳关键测点进行动应力线路实测并对测点实测时域数据波形进行解析;基于实测应力时间历程及雨流计数法编制二维应力谱,利用Goodman等寿命方程将二维应力谱等效转换为一维应力谱;阐述线性累积损伤及非线性累积损伤模型的建立方法并对实测数据的线性累积损伤及非线性累积损伤进行了计算及对比分析;分别基于线性累积损伤理论及非线性累积损伤理论推导出各理论下的等效应力,基于实测数据对两种等效应力进行了计算及对比分析;通过结合非线性累积损伤及线性累积损伤理论计算的等效应力及不同可靠度下的材料S-N曲线计算并对比分析构架结构的疲劳寿命。研究结果表明,与非线性疲劳分析理论相比,线性疲劳分析理论对高速列车转向架构架的疲劳特性评估偏于保守。     

高速列车齿轮箱动应力分布特性研究

通过在标准动车组齿轮箱关键部位布置应变传感器获得齿轮箱动应力时间历程曲线，结合GPS信号分析高、低速直线运行，牵引状态变化和转矩波动工况下齿轮箱动应力的变化规律。利用雨流计数法统计齿轮箱动应力幅值，并采用核密度估计函数和威布尔分布函数对其进行拟合分析。在此基础上提出组合分布函数来推断动应力最大值并编制动应力扩展谱，最后根据Miner线性累积损伤理论得到不同应力等级对齿轮箱疲劳损伤的贡献量。结果表明，列车运行速度、电机输出转矩对齿轮箱动应力幅值均有不同程度的影响；依据基于核密度函数和威布尔分布函数提出的组合分布函数，求解得到齿轮箱端部动应力最大值为25.43 MPa；根据采用组合分布概率密度函数编制的齿轮箱动应力扩展谱，得到齿轮箱端部在9～17 MPa的应力所产生的疲劳损伤比重约占全部损伤的71.3%，因此在齿轮箱疲劳损伤评估时应关注结构中作用频次高的应力幅值，避免齿轮箱结构的早期疲劳失效。     

基于路况识别的高速动车组构架损伤规律

目前我国自主研发的复兴号动车组,在京沪高铁最高运营速度已达到了350 km/h,随着速度的不断提高,对动车组构架的疲劳问题研究显得愈发重要。在对构架关键点进行动应力测试的过程中可以看到,动车组通过曲线、道岔等特定线路工况,相较直线线路,测点应力水平均有不同程度的变化。在对某型动车组构架关键点进行数月的线路实测基础上,依据MEMS陀螺仪、GPS以及部分线路参数,提取到上述不同工况下测点充分的应力数据,进行统计分析和计算。研究发现大部分测点在通过曲线时应力水平有一定上升,而在通过道岔时的应力水平有大幅度提高;对比不同位置的测点,构架外部横侧梁连接处等位置相对于中心附近,对特殊工况的响应更加敏感。上述结论对分工况载荷谱的研究提供试验基础,同时也为结合构架损伤规律的线路设计给出参考建议。     

基于多轴准则的货车车体疲劳寿命分析方法

基于变幅应力循环的损伤等效恒幅应力计算方法和形状改变能密度理论,提出承受变幅循环,处于多轴应力状态下的结构的疲劳寿命分析方法。根据几何特征建立焊缝坐标系,计算节点在该坐标系下的应力分量,根据线路实测载荷谱获得节点应力谱;根据应力谱计算节点损伤等效恒幅应力,结合接头抗疲劳设计等级,计算节点材料利用度分量和综合材料利用度,评估结构在指定寿命下的疲劳强度。对敞车车体典型焊缝的疲劳强度进行评估,结果表明所研究焊缝的疲劳强度主要受正应力分量的影响,切应力对结构疲劳强度的影响较小。对比研究不同分析方法下的节点材料利用度特征,结果表明,当考察点具有显著的多轴应力特征时,依据AAR标准提供的方法和依据多轴应力法获得的结构疲劳强度评估结果间存在较大差异;依据多轴应力法进行评估时,所关注节点的材料利用度较采用AAR方法评估的结果小18.5%。采用多轴应力法评估疲劳强度有利于车体结构轻量化设计。     

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。     

车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法*

提出多载荷时间历程的外推方法,给出车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法。基于载荷时间历程的雨流计数矩阵,利用二维核密度估计方法(Kernel density estimation, KDE),提出在多载荷时间历程输入条件下的外推方法;应用平均应力修正公式、累积损伤理论和等效损伤准则,根据外推载荷数据,给出疲劳试验程序谱的编制方法;结合动车组车下设备线路测试数据对外推方法进行验证,编制了车下设备承载结构疲劳试验程序谱,并分别使用疲劳试验程序谱和振动测试数据对承载结构进行疲劳强度计算。数据外推结果表明：多载荷时间历程外推方法计算的损伤与实际载荷损伤误差为3.6%,大的扩展倍数下KDE可以给出低周、大幅值载荷;疲劳强度计算结果表明：由于KDE外推产生了大幅值载荷,疲劳试验程序谱计算的损伤比振动测试数据计算的损伤增加了43.8%,所以,在进行疲劳试验载荷谱编制时,需要计算可能出现的大幅值载荷。此研究为其他结构程序载荷谱的编制提供借鉴案例。     

基于BS7608标准转向架构架疲劳强度评估

为了有效地预测转向架构架的疲劳强度,基于EN13749和BS7608标准,采用构架疲劳试验谱载荷的疲劳疲劳强度预测方法评估构架疲劳强度.应用雨流计数法将EN13749中规定的疲劳试验谱载荷分级,并用有限元法求得构架每级载荷作用下的应力分布,以BS7608钢结构耐久性设计规范提供的焊接接头S-N曲线为依据,计算构架在谱载...     

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。     

小应力循环对C70_E型车体疲劳损伤的影响研究

在北京—成都铁路通用线路上做动应力测试试验,试验车组由一辆被测试的C70E型通用敞车和一辆搭载测试设备的NX70型通用平车组成。实测得到C70E型敞车车体疲劳关键部位的应力时间历程。为更准确地研究C70E型敞车车体的疲劳强度,对比分析编制应力谱时取舍应力循环的不同方法,设置不同取舍门槛值,采用雨流计数法将线路实测的时域信号转化为频域信号,编制应力谱。结合Miner线性累积损伤理论,对比分析不同门槛值求得的应力谱对应的疲劳损伤,结果表明小应力循环对车体疲劳损伤有影响。综合考虑结构强度分析的工作量和小应力循环对疲劳损伤的影响程度,以应力范围(最大应力幅值-最小应力幅值)的5%作为编制应力谱的取舍门槛值较为合理。对比各关键部位损伤值,得出车体相对比较薄弱的部位是靠近一位端侧的一位枕梁下盖板与中梁焊接部位和大横梁与侧梁焊接部位。估算C70E型敞车车体的疲劳寿命,满足650万km的设计和运行要求。     

基于多轴理论的构架焊缝疲劳强度研究

以两种不同结构形式的转向架焊接构架为研究对象,采用多轴应力法,依据DVS1612规范,对构架侧梁角焊缝进行疲劳评估.详细阐述了焊缝局部坐标系的构建和材料利用度的计算方法.疲劳评估结果表明:底板角焊缝的疲劳强度主要取决于平行于焊缝的正应力;立板角焊缝的疲劳强度受到各向应力的综合影响,多轴效应十分明显.立板角焊缝比底板角焊...     

基于运用条件和频域特征的动车组转向架构架疲劳损伤规律研究

转向架作为动车组车辆的关键部件,担负着承载与走行等多种任务,传递不同形式的动态载荷,有必要对其疲劳问题进行研究。以某型城际车动车和拖车转向架构架为研究对象,在对构架疲劳关键点动应力进行线路实测基础上,依据速度、航向角以及部分线路参数,提取到直线、不同半径曲线、启动牵引、混合制动以及低速过站等不同工况下各测点的动应力数据,分析和比较各测点在不同运用条件下的疲劳损伤特点。通过时-频变换方法,得到不同速度下动车和拖车各主要测点动应力幅频特征,进而分析各测点动应力峰值频率所对应的系统固有频率和外界激励频率,探讨不同频率成分的动应力对各关键点损伤的贡献情况。研究发现,相同速度和曲线半径下,多数动车疲劳关键点的等效应力大于拖车。在车辆接近停止时,抗蛇行减振器座和横侧梁连接处的动应力会存在一个大幅值循环,这与车体惯性力对抗蛇行减振器的作用有关。中低速过道岔时,各测点的动应力变化范围均有一定程度的增大,以横侧梁连接处和抗蛇行减振器座处变化最为明显,其他疲劳关键位置的动应力变化相对较小。达到相同损伤占比时,绝大多数动车构架测点的动应力频带比同速度下拖车构架更宽。     

基于多体动力学的车轴动应力分析及寿命研究

基于多体动力学理论和疲劳强度理论,以某型高速动车组的车轴为研究对象,通过建立单车多体系统刚柔耦合动力学模型,采用我国高速铁路无砟轨道不平顺谱,根据线路实际状况和运行速度,确定了5种典型线路工况。通过动力学仿真和雨流计数法得到作用在轮轴上的8级载荷谱,在此基础上结合有限元技术求得车轴危险部位的应力幅值谱。基于车轴长寿命范围的概率疲劳S-N曲线和Miner累积损伤理论对车轴的疲劳裂纹萌生寿命进行计算,并通过推导Paris公式求得变幅应力下的车轴疲劳裂纹扩展寿命。结果表明:车轴的轮座内侧圆弧过渡处最易发生断裂,疲劳寿命约为27.8年,经验证,计算结果与该型动车组车轴的设计寿命比较接近,证实该方法具有一定的应用价值。     

轨道车辆结构动应力谱分布的估计

结构动应力分布的确定对结构疲劳强度评估和可靠性设计有重要意义,通常采用的动应力理论分布假设有威布尔分布、对数正态分布和截尾正态分布.实际计算表明,单一地利用以上任意一种分布都很难实现对实测一维动应力谱的有效拟合,根据实测轨道车辆动应力特征,利用数据统计处理方法,提出一种新的分布及其拟合方法,即对数正态分布和威布尔分布的组合分布,该种分布能够准确地描述动应力分布,对轨道车辆疲劳寿命估计有重大意义.     

电机牵引振动对地铁转向架构架疲劳的影响

地铁转向架构架在其服役期内发生失效，且部分位于电机安装座附近，表明传统抗疲劳设计中，电机振动等部分特殊载荷被忽视或错误理解，导致构架局部疲劳强度的不足。为研究电机牵引振动对构架疲劳寿命的影响规律，以某地铁车辆转向架构架为案例。首先，建立了构架有限元模型，并通过实验模态分析验证了模型的准确性；其次，通过扫频计算，分析了电机振动激励下的构架局部动应力响应特性，并获得电机振动加速度与动应力响应的传递关系；最后，以某线路实测的电机振动加速度信号作为输入，通过求解构架疲劳薄弱区域的动应力响应功率谱密度，对比分析了牵引工况与惰行工况时的电机振动对构架疲劳寿命的影响。结果表明：此分析案例中，电机激励下的振动能量主要集中于第6、第7阶模态，分别受电机横向、垂向振动所激起，对构架的疲劳损伤贡献较大。相比于惰行工况，牵引工况下的构架关键位置的疲劳寿命大幅减少，提出地铁构架设计需要充分考虑电机牵引振动对疲劳寿命影响的重要性。     

某构架式转向架的疲劳强度分析与评估

为避免设计缺陷,提高产品可靠性,对某构架式转向架进行了疲劳强度分析与评估,载荷条件和疲劳强度评估方法依据UIC 510-3标准中有关内容确定。采用大型有限元分析软件ANSYS 12.1建立构架的有限元模型,并按标准要求施加载荷和约束。计算结果表明,构架上各部位的动应力均未超出相应Q345qE钢母材/或接头Goodman疲劳极限图的界定范围,该构架疲劳强度满足设计要求。     

转向架构架在不同速度级下的动应力试验研究

轨道车辆在实际线路运行中,速度提升带来的振动加剧对构架疲劳可靠性有很大影响,本文为了研究速度变化对动应力的影响规律,编制考虑速度影响的应力谱,提出了基于不同速度级下的构架动应力因子分析方法,通过对实测应力数据进行因子分析,提取公共因子,构造因子变量,并采用回归分析方法计算因子得分系数矩阵,进而通过均值和方差确定表征测点...     

基于KDE的构架应力谱外推与疲劳寿命评估

获取动应力谱是对车辆结构进行疲劳分析的重要前提,其分析结果的准确性受动应力谱的完整性和充分性的影响。在保留载荷的概率分布特征的前提下,有必要将动应力测试数据从小样本外推至大样本。对转向架构架的应力谱外推和疲劳寿命评估进行了研究,并以某地铁转向架测点为分析案例。首先,对二维核密度估计（kernel density estimation,简称KDE）中最优带宽的确定方法进行了讨论;其次,提出了采用矩阵型灰色关联度分析方法对外推前后的雨流矩阵的接近性关联度与相似性关联度进行量化评价;最后,提出基于多样本核密度动应力谱外推的疲劳寿命评估方法。结果表明：与基于实测数据的评估结果相比,基于核密度外推的疲劳寿命评估结果的相对误差为-4.17%,安全运营里程减少了2.13×104 km。基于核密度估计的外推精度满足工程实践的要求,且评估结果更偏于安全,对保证车辆安全运营十分有益。     

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。     

基于仿真分析和动应力试验的旋挖钻机桅杆结构强度研究

以SR280型旋挖钻机桅杆为研究对象,基于仿真分析和动应力试验对其结构强度进行研究。通过仿真分析,获得桅杆在三种极限工况下的载荷传递特性和Von Mises应力分布,并对仿真结果进行分析;通过动应力试验,获得桅杆一维应力谱和等效应力值,并对其疲劳强度进行评估。综合仿真分析和动应力试验的结果证明,桅杆结构满足强度要求。