动车组碳纤维材料设备舱骨架力学性能研究

摘要

复合材料因其优良的力学性能在航空航天领域应用广泛，但在轨道交通承载部件上的应用研究较少，并且我国针对复合材料在轨道交通上的应用研究起步较晚，至今都是半经验半理论状态。设备舱是安装在车体下端，用于保护车下装置以及改善空气动力学性能的关键部件。其中设备舱骨架是设备舱的主要承载部件，由横梁、边梁以及弯梁组成。我国自行研制拥有全面自主知识产权的中国标准动车组中设备舱大多采用复合材料，但我国对复合材料在轨道交通承载部件上的应用研究很少，因此针对复合材料设备舱骨架进行力学性能的评价工作对复合材料在设备舱骨架乃至整个高速列车上的应用都具有重要的参考意义。
　　本文借助ABAQUS有限元仿真分析软件，依据IEC61373-2010《铁道车辆设备冲击和振动试验标准》、EN12663-2010《铁道应用——轨道车身的技术要求》以及德国劳氏船级社《Guideline for the Certification of Wind Turbines》给定的载荷工况以及评价方法对碳纤维材料设备舱骨架进行静强度、极限法疲劳强度以及随机振动疲劳损伤评价工作。研究表明，在静强度评价工作中，超常气动载荷工况作用下，设备舱碳纤维材料弯梁压缩安全裕度较低，应在危险部位着重加强。除此之外，其它均满足要求，并且有较高的安全裕度。在疲劳强度评价工作中，按照疲劳极限方法评价可知，气动载荷工况下连接座安全裕度小于1，会发生疲劳破坏；边梁安全裕度较小，同样应在危险部位进行着重加强。除此之外，其它均满足要求，并且有较高安全裕度。在对其进行随机振动疲劳损伤分析中可以得出，复合材料设备舱骨架根据给定ASD谱作用下累积疲劳损伤很小，满足设计要求。
　　此外，论文对参考的德国劳氏船级社中经验Goodman曲线进行试验对比验证，研究表明，根据德国劳氏船级社给定的Goodman曲线进行碳纤维材料设备舱骨架的疲劳强度分析具有可行性。在考虑安全系数n=1.15、n=1.5以及n=2情况下与经验Goodman曲线进行对比发现，在安全系数n=1.15下仍有可行性，但是在n=1.5和n=2的情况下进行疲劳强度评价具有一定的风险。

目录

1 绪论

1.1课题来源及研究背景

1.2复合材料在高速列车的研究概况

1.3本文研究意义

1.4本文研究内容

1.5本章小结

2 设备舱总成及薄板理论概述

2.1设备舱结构组成

2.2 ABAQUS软件介绍

2.3 薄板理论

2.4 本章小结

3 CFRP设备舱骨架有限元模型建立

3.1 有限元方法

3.2 CFRP设备舱骨架壳模型的建立

3.3 CFRP设备舱骨架材料属性创建

3.4 本章小结

4 设备舱骨架静强度分析与模态分析

4.1 静力分析理论

4.2 载荷工况与约束条件

4.3 静强度评价标准

4.4 静强度评价结果

4.5 设备舱骨架模态性能研究

4.6 本章小结

5 设备舱骨架疲劳强度分析

5.1 疲劳极限法

5.2 随机振动疲劳分析

5.3 本章小结

6 设备舱骨架碳纤维层合板试验研究

6.1 拉伸试验

6.2 压缩试验

6.3 疲劳试验

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的成果

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