详情

原文传递铁路货车车体载荷谱测试及疲劳强度评价研究

论文题名：	铁路货车车体载荷谱测试及疲劳强度评价研究
关键词：	铁路运输;货车车体;载荷谱测试;疲劳强度;有限元仿真
摘要：	随着铁路货车运输的提速和重载化技术的发展，车辆结构的疲劳可靠性问题变得日益突出。货车结构的疲劳强度问题是制约货车装备技术提升的关键因素，尤其作为货物运输承载部件的车体，在显著低于设计寿命时过早地发生疲劳裂损，将使货车的维修费用居高不下，并严重危及行车安全。因此，有必要全面了解我国铁路货车服役载荷环境，建立涵盖面最大的货车车体载荷谱和疲劳评价方法，以利于科学、合理地进行货车疲劳强度设计和评价，并为合理安排维修周期提供理论支持。　　目前，货车车体的疲劳强度评价所采用的载荷谱主要是美国AAR标准载荷谱，且结合静态有限元仿真的方法，用疲劳损伤或等效应力评价车体疲劳强度。然而，我国铁路货车车体在服役期内出现的大量疲劳损坏表明，美国AAR标准载荷谱不一定适合中国的线路条件和货车车型，而且采用静态有限元仿真方法已经无法满足疲劳设计和评价要求。为此，本文在铁道部科技研究开发计划项目“铁路货车C70型敞车通用线路载荷谱的试验及应用研究”支持下，以70吨级通用敞车为研究对象，进行了国内典型通用线路车体载荷谱实测试验，编制了有效的车体载荷谱，研究了车体动态载荷响应下的疲劳强度评价方法，并对车体线路模拟台架试验疲劳评价方法进行了探究。主要研究如下: 　　(1)根据实际运用中车体母材及焊接接头情况制作了小试样试件，通过室内加载试验获得板材及焊接接头的S-N曲线，拟合得到S-N曲线的数学表达式，并对试验得到的S-N曲线进行了适当的延拓。同时研究了美国AAR标准和欧洲BSEN标准中的焊接结构设计中的疲劳性能参数。　　(2)线路实测了C70E型敞车在三条典型通用线路上的车体载荷及响应信号数据，对信号数据进行处理，得到了有效的信号时间历程。利用载荷识别运算方法将信号时间历程转化为分载荷时间历程，进而通过雨流计数法编制了车体载荷谱以及应力谱。运用概率统计的方法发现载荷谱服从威布尔分布，推断得到车体在整个服役期内可能出现的最大载荷幅值。从最值和每公里累积频次两个方面对比了三条典型线路载荷谱特性，并以每公里频次的形式将实测最值谱与AAR标准载荷最值谱进行了比较。　　(3)通过建立车体整车有限元模型，对车体进行了分载荷静态有限元计算，分析得到车体大应力部位，并研究了各分载荷作用下的载荷-应力传递关系。建立车体和散粒煤的三维有限元刚柔组合模型，提出采用修正的D-P准则描述散粒煤的本构模型，在车体与散粒煤之间设置面-面接触对，对车体静态压力进行了数值模拟，将结果与传统计算结果进行对比，全面分析了散粒煤对车体端、侧墙的位移、应力和侧压力响应的立体化分布情况。　　(4)对车体进行了模态分析，提取了各阶模态的固有频率和振型。基于此，采用结构瞬态动力学有限元方法对浮沉和纵向动态载荷下车体疲劳关键测点的动态应力响应进行数值模拟，并计算得到动态载荷-应力传递关系以及动态载荷作用下车体的大应力部位。通过对比静态载荷-应力传递系数和动态载荷-应力传递系数，发现两者之间在不同载荷类型作用下存在一定差异，动态载荷响应更大。采用车体和散粒煤的刚柔接触组合模型，利用显式直接积分法仿真分析了纵向冲击下车体结构的动强度，得到了车体的动力响应，解决了冲击过程中考虑散粒货物流动性时端墙动压力的问题。　　(5)基于实测的应力谱，根据AAR标准评价方法、BS EN标准评价方法和实测S-N曲线的名义应力评价方法，结合Miner疲劳累积损伤法则，分别计算了车体疲劳关键测点的应力谱损伤。根据实测的载荷谱，利用静态载荷传递关系和动态载荷传递关系分别计算了车体载荷谱损伤，将两种计算结果进行了对比分析。基于损伤一致性准则，利用多测点优化算法对线路实测的车体载荷谱进行校验修正，使其涵盖所有疲劳关键测点的真实损伤，据此对车体疲劳寿命进行了评估，结果表明车体满足设计寿命。　　(6)研究了以线路实测载荷时间历程为基础，采用室内车体台架模拟试验对车体进行疲劳强度评价的方法。为获得台架试验加载谱，提出了以应力测点作为依据点同步浓缩载荷时间历程的试验加载载荷谱编制方法，并依据损伤等效原则，验证了浓缩载荷谱的正确性和有效性。
作者：	赵方伟
专业：	车辆工程
导师：	李强
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文