重载货车车钩钩体强度及可靠性分析

摘要

随着我国重载铁路的快速发展，重载货车的牵引吨位增加，车辆周转次数增多，车辆间纵向载荷的随之增大恶化了车钩钩体的服役条件，并且过大的非正常载荷时有发生。新的重载货车运行条件，一方面对钩体强度服役安全性提出了新的要求，另一方面，钩体疲劳寿命的大幅缩短了检修周期，降低增加了维修成本。为此，很有必要针对目前重载货车所用的17号主型钩体开展新运行条件下的的强度安全评定、疲劳寿命预估及可靠性分析。
　　首先，选取我国重载铁路典型代表—大秦铁路17号车钩钩体为研究对象，统计分析了钩体疲劳失效的主要部位以及产生裂纹的主要原因，以此为后续钩体静强度分析和疲劳寿命预估提供基础。
　　其次，建立了车钩钩体有限元模型，依据TB456-2008标准所规定的载荷和实测出现的最大载荷，采用ANSYS Workbench软件对钩体进行静强度分析和安全校核，分析结果表明，钩体在TB456-2008标准规定工况和实际运营工况下，最大应力值均小于E级钢屈服极限690MPa。根据E级钢材料机械性能和疲劳性能，利用修正的Goodman-Smith疲劳极限图进行了钩体疲劳强度的评定，选取的6个疲劳控制点皆位于疲劳极限曲线内，钩体疲劳强度满足使用要求。
　　为开展钩体的抗疲劳设计，根据准静态法标定的载荷，应力关系将大秦线实测8级钩体载荷谱转化为8级应力谱，采用缺陷系数将钩体S-N曲线进行了修正，结合Miner疲劳线性累积损伤理论估算出缺陷系数不超过2.3时，钩体寿命里程大于我国规定的货车设计运行里程数5×106km。参照对比大秦线裂纹钩体的寿命统计，确定实际服役钩体的缺陷系数范围为1.9～2.4，从而为大秦线钩体疲劳设计缺陷系数的选择提供参考。选取钩体疲劳薄弱位置（牵引突缘处和钩尾销孔）进行抗疲劳设计，若要钩体满足我国货车设计标准规定运行里程数的要求，钩体牵引突缘处的等效应力不能超过70.5MPa，钩尾销孔处的等效应力不能超过26.8MPa。
　　考虑到材料力学性能和所受载荷的分散性对钩体可靠性的影响，采用基于拉丁超立方抽样的蒙特卡洛法对钩体进行了静强度可靠性分析。10000次应力循环下，钩体最大应力均值曲线收敛情况良好，得到钩体静强度可靠度为0.999，钩体安全可靠。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 论文研究内容及方法

2 钩体疲劳失效状况分析

2．1 大秦铁路货车车钩的基本情况调查

2．2 钩体裂纹部位统计分析

2．3 钩体裂纹成因分析

2．3．1 钩尾销孔裂纹分析

2．3．2 下牵引突缘裂纹分析

2．3．3 钩耳护销突缘裂纹分析

2．3．4 钩头内弯角裂纹分析

2．4 本章小结

3 钩体静强度分析

3．1 有限元法基本概念

3．1．1 有限元法原理及求解步骤

3．1．2 有限元法发展趋势

3．2 静强度加载及评定标准

3．2．1 静强度标准载荷工况

3．2．2 实际运营载荷工况

3．2．3 静强度评定标准

3．3 钩体静强度分析

3．3．1 钩体有限元模型的建立

3．3．2 标准载荷工况静强度分析

3．3．3 实际运营工况静强度分析

3．4 本章小结

4 钩体疲劳强度及寿命分析

4．1 疲劳理论

4．1．1 疲劳基本概念

4．1．2 疲劳设计准则

4．1．3 线性疲劳累积损伤理论

4．2 钩体疲劳强度评估

4．2．1 疲劳强度评定方法

4．2．2 修正的Goodman-Smith图的绘制

4．2．3 钩体疲劳强度评定

4．3 钩体载荷谱转换为应力谱

4．3．1 钩体载荷谱数据处理及编制

4．3．2 载荷谱转换为应力谱

4．4 钩体疲劳寿命估算

4．4．1 钩体S-N曲线

4．4．2 钩体寿命里程估算

4．4．3 钩体疲劳薄弱区应力设计

4．5 本章小结

5 钩体可靠性分析

5．1 可靠性基础

5．1．1 可靠性概念

5．1．2 应力-强度分布的干涉模型

5．1．3 ANSYS可靠性分析过程简介

5．2 钩体可靠性分析

5．2．1 钩体的失效模式确定

5．2．2 应力和强度分布的蒙特卡洛模拟原理

5．2．3 钩体的随机输入和输出变量的确定

5．2．4 钩体可靠度计算

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果