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原文传递 1万吨组合式重载列车纵向载荷谱编制方法研究

论文题名：	1万吨组合式重载列车纵向载荷谱编制方法研究
关键词：	重载列车;载荷谱;疲劳损伤;非参数外推;纵向冲击
摘要：	随着我国铁路货车向重载化方向的发展，车辆牵引吨位和编组数量增多，导致列车纵向作用力及纵向冲击增大，使得车钩、钩尾框、缓冲器、车体牵引梁等承受纵向载荷的结构故障率增加，从而影响列车的服役安全性。载荷谱是结构疲劳设计、服役安全评估和疲劳试验的基础。由于受到试验条件和试验成本限制，目前我国缺少标准化的重载列车纵向载荷谱，以及缺少高表征度纵向载荷谱编制方法的规范化研究。为此，本文依据1万吨组合式重载列车载荷-时间历程，通过小载荷门槛值确定、载荷谱分级数寻优、载荷谱外推以及纵向设计谱制定等方面的研究，得到了纵向承载结构的载荷谱和设计谱，从而为编制适于我国运行条件下的重载列车纵向载荷谱提供一定的参考。论文主要研究内容如下：　　（1）以1万吨组合式重载列车纵向载荷-时间历程为依据，进行重车、空车载荷均值和幅值统计分析，采用粒子群优化的变分模态分解方法得到分解个数和惩罚因子的最佳参数组合。通过载荷信号的分解，依据损伤理论得出拉伸载荷和压缩载荷损伤数占比，并计算得到各分量信号的均方根值，从而确定了重车和空车小载荷门槛值的滤波频率。对重车和空车进行滤波处理，对比处理前后的载荷循环分布特性，得出该方法大幅降低了重车和空车的载荷的统计循环次数，且在保证小载荷处理前后疲劳损伤基本不变的前提下，提高了编谱效率。　　（2）考虑到不同分级数对所编制载荷谱的差异性，基于疲劳损伤等效原则，建立疲劳损伤与载荷谱非等间隔分级数的数学模型，采用聚类分析和支持向量机对所有载荷循环进行分类和类别预测，得到不同分级数下非等间隔分级的准确率和预测图。根据损伤相对误差和分级准确率得出了拉伸载荷谱和压缩载荷谱的最佳分级数，通过比较不用分级方法下拉伸载荷和压缩载荷疲劳损伤误差分析，相对于传统等间隔分级，采用聚类分析和支持向量机的非等间隔分级法在保证载荷疲劳效应的同时，降低了编谱误差。　　（3）考虑到小载荷造成的疲劳损伤占比较小而出现次数较多的特点，提出中、高载荷采用二维核密度估计的非参数外推，小载荷按比例外推的方法。对中、高载荷区根据二维核密度统计得到二维概率密度矩阵，通过蒙特卡洛随机数模拟进行外推，得到外推后的拉伸载荷和压缩载荷谱疲劳损伤满足工程实际外推要求，且与线性外推等其它外推方法相比，核密度估计外推实现了载荷和频次大小的双向外推。　　（4）基于材料的疲劳试验数据，得到不同置信度下材料的P-S-N曲线，并通过疲劳强度影响因素对材料P-S-N曲线修正。考虑到不同测试点外推载荷的离散性，基于不同测试点外推载荷谱，建立运行里程与等效应力的数学模型，采用多项式曲线对不同可靠度下等效载荷和累计频次的关系进行拟合。依据设计寿命和零部件疲劳强度，得出拉伸载荷与压缩载荷的疲劳损伤比。基于损伤等效原则，以车钩纵向外推载荷谱为例，编制了拉伸载荷设计谱和压缩载荷设计谱，并验证了其可行性。
作者：	胡李军
专业：	车辆工程
导师：	薛海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022