基于核密度估计的单轨车辆构架载荷谱外推

车辆构架疲劳寿命预测准确性受动载荷谱完整性的影响,但线路实测的载荷数据具有短时与局部特征,为了准确预测疲劳寿命需要将短期样本数据外推至全寿命周期范围,本文以单轨车辆转向架构架为分析案例。首先,采用基于自适应带宽的核密度估计方法对实测载荷谱进行概率密度估计,其次,通过蒙特卡洛模拟算法实现了载荷谱外推;最后,基于核密度外推后的载荷谱对构架进行疲劳寿命分析。分析结果表明,与传统线性外推的数据相比,基于核密度估计外推的载荷谱评估结果更加安全,更有利于保障车辆的安全运行。     

基于动应力时域外推的构架疲劳寿命评估方法

获取具有代表性的动应力时域信号是对车辆进行结构疲劳分析的重要前提,仅依靠短时间测试所得的动应力时域信号进行疲劳寿命评估,其结果并不能反应结构在较长时间历程,甚至是全寿命周期下的抗疲劳服役性能。以某动车组转向架转臂定位安装座焊缝附近的某测点为算例,提出了基于极值理论的动应力时域外推的疲劳寿命评估方法。首先,选取该测点在镟轮初、中、末期的3组动应力时域信号,对其进行前处理与等权重组合;其次,应用极值理论对组合样本信号进行尾部概率分布拟合,并对模型的拟合优度进行检验;然后,根据拟合的概率分布函数对动应力样本进行相应倍数的时域外推,获得长时载荷作用下的动应力时域信号;最后,采用外推后的动应力时域信号进行疲劳寿命评估。结果表明:相比于常用的线性外推方法,基于时域外推方法的疲劳损伤增加了0.168%,安全运营里程减少了2 670 km,评估更偏于安全。     

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。     

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。     

基于非参数核密度估计法的商用车服役载荷环境研究与应用

用户使用道路载荷特征的研究与建立是对车辆结构件疲劳强度合理轻量化设计的基础和前提。以往研究方法大多基于参数法概率密度估计对用户使用道路载荷特征进行统计分析。以某型商用车用户使用载荷特征的大范围数据调研为基础,分别采用参数法和非参数核密度估计方法,建立了典型用户使用道路载荷特征的概率密度分布模型,研究表明非参数核密度估计方法较之传统参数法更能准确表征用户使用载荷的分布特征。采用非参数核密度估计方法计算了90%分位下的各项用户使用道路载荷特征,结合实测用户道路载荷谱,基于非参数雨流矩阵外推方法构建了该型商用车减震弹簧应变的全寿命周期载荷,并依此载荷制定了台架疲劳试验规范。研究方法为其他结构件的用户关联疲劳试验规范的合理制定提供了一定的参考。     

一种新的高速列车动应力谱分布估计方法

为克服参数估计方法对动应力谱分布估计的局限,引入一种非参数估计方法--核密度估计法。为验证算法的有效性,选取标准正态分布函数进行验证,结果表明所得概率密度曲线与真实概率密度曲线吻合很好,同时也证明了数据组距的大小对核密度估计结果没有影响。将高速列车关键部位动应力实测数据进行数据处理,将得到的实测应力谱利用核密度法进行估计并推断,结果显示核密度估计的谱损伤曲线与实测谱损伤曲线的总体走势一致且前者的每级损伤值均略大于后者,这表明利用核密度估计方法对动应力谱的拟合估计有一定误差且略偏保守,然而这种保守的估计方法对于保证结构在运用时的安全却是十分有益的。     

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。     

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。     

高速列车转向架应力谱分组方法研究

应力谱对结构疲劳强度评估和可靠性设计有着重要意义,为了准确评估结构的疲劳强度,通过某型高速动车组实际运营线路上的动应力测试试验,获取动力转向架构架疲劳关键部位的应力-时间历程,采用等距分组方法编制应力谱,结合Palmgren-Miner线性累积损伤理论,计算了不同分组数下应力谱的每公里疲劳损伤值,分析了不同分组数对疲劳损伤的影响规律。结果表明,分组数过少会引起疲劳损伤值的偏差,随着分组数的增加,计算的损伤值逐渐减小,并趋于定值,这是由动车组构架动应力小应力循环高度集中的特点引起的。同时提出了一种适用于构架结构应力谱的不等距分组方法,研究结果可为构架结构的设计提供依据。     

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。