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原文传递某磁悬浮列车腔体结构疲劳分析

论文题名：	某磁悬浮列车腔体结构疲劳分析
关键词：	磁悬浮列车;腔体结构;振动疲劳;焊接缺陷;安全系数
摘要：	磁悬浮列车作为一种新兴的交通方式，相较传统列车具有速度更快、运营成本更低、无污染等优点，具有良好的发展前景。为了保证磁浮列车长期稳定运行，其疲劳寿命问题成为业内研究的重点。超导磁铁连接在腔体结构中，腔体的疲劳强度直接影响着超导磁铁的力学性能和电磁性能，进而影响列车行驶的安全性。本文主要从腔体结构的振动疲劳、腔体焊缝的焊接疲劳及焊接缺陷对结构疲劳强度的影响三方面开展研究，为腔体结构的安全性及焊接工艺提供参考。　　(1)基于ANSYS Workbench和nCode软件的腔体结构振动疲劳分析　　首先，基于ANSYS Workbench有限元软件，开展腔体结构约束模态分析，提取结构的固有频率和振型，其中基频为92.214Hz，远高于4Hz左右的轨道激励，不会产生共振破坏的问题。其次，对腔体结构进行频响分析，考虑驱动力、导向力、悬浮力，计算得到腔体结构位移和加速度频响曲线。结果表明，响应峰值主要出现在腔体结构的前三阶固有频率附近，悬浮力对结构的影响最大，导向力次之，驱动力最小。最后，结合IEC61373标准中的PSD频谱和材料的S-N曲线，以及结构的模态和加速度频响计算结果，基于nCode软件开展该腔体结构的损伤和振动疲劳寿命分析。根据Miner线性损伤原理和IEC61373标准，该腔体结构不会发生疲劳破坏，满足振动疲劳寿命要求。　　(2)基于ABAQUS和Fe-safe软件的腔体焊接结构疲劳分析　　考虑到振动疲劳寿命较低区域均在腔体结构的焊趾处，所以对腔体结构进行简化，留取焊缝部位开展焊接疲劳分析。由于焊接件在焊趾处的应力呈现高度非线性，传统疲劳计算方法并不适用，所以从焊接失效机理出发，运用主S-N曲线法对焊缝部位进行疲劳分析。采用ABAQUS和Fe-safe软件联合仿真，考虑电磁力的影响，对结构沿驱动力、导向力、悬浮力方向施加载荷，计算结构在该载荷下经历2×106次循环的疲劳安全系数。经过计算，两种载荷工况下的疲劳安全系数均满足要求，焊接结构不会发生疲劳破坏。　　(3)基于ISO5817标准的含缺陷焊接结构疲劳强度分析　　焊接必然会存在缺陷，根据ISO5817标准选取咬边、不对称、凸度过大三种典型缺陷对焊接结构开展疲劳分析。计算结果表明：咬边缺陷和凸度过大缺陷会降低焊接结构的疲劳强度；不对称缺陷会提高结构的疲劳强度；应力集中是造成该焊接结构疲劳强度降低的关键因素。采用下凹圆角的方式对焊缝进行改进，从而降低焊趾处的应力集中。改进后，三个方向的应力集中均得到缓解，疲劳安全系数提高13.48%。
作者：	张昕宇
专业：	力学
导师：	姚国凤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022