高速列车车体疲劳强度可靠性分析

摘要

高速列车与传统铁道车辆的区别在于:高速列车采用固定编组和动力分散式驱动方式，运行速度一般高于200km/h;车体设计采用轻量化铝合金材料，取消地板纵向中梁和横梁结构，大量采用中空挤压铝合金型材;车辆固定设备采用悬吊方式安装在车体下面，降低了车体重心，节省了安装空间等。高速列车车体结构设计及材料的改变的同时，对其结构的安全可靠性要求进一步提高，一旦发生结构疲劳可靠性问题，后果不堪设想。本论文以某型高速列车车体为研究对象，对其疲劳强度可靠性展开研究，为高速列车车体设计分析方法提供参考。
　　首先建立了车体有限元模型，对欧洲标准EN12663-1、日本标准JIS E7106和我国《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》三个车体设计标准对比分析，并且考虑了气动载荷的影响，组合得到了评价车体强度可靠性的静强度和疲劳强度载荷工况。在对车体进行有限元分析的基础上，结合车体铝合金材料强度性能数据，绘制车体材料Goodman曲线，基于最大主应力方法对车体疲劳强度进行分析，得到不同可靠度下车体静强度和疲劳强度安全系数，评价了车体的静强度和疲劳强度可靠性，对传统的标准设计方法应用有借鉴意义。
　　然后建立了车辆系统动力学模型，获得车体动态载荷历程。采用多项式拟合法将动态载荷历程转化为关注部位应力时间历程，通过雨流计数法得到应力块谱并确定其概率密度函数，建立动态应力强度干涉模型，分别对不考虑强度退化和考虑强度退化两种情况下车体关注部位动态可靠度及失效率进行分析。随着服役里程增加关注点动态可靠度不断降低，其中车门部位可靠度下降最为明显;考虑强度退化时，关注部位疲劳损伤不断累积增大，疲劳强度抗力逐渐下降，关注点动态可靠度不断下降且更为明显，同时随着列车服役里程的增加，关注部位失效率先迅速下降，转而逐渐增大，具有“浴盆”曲线的全部三个特征，为可靠性寿命及维护检修方案的制定提供参考和建议。
　　最后建立车体的参数化有限元模型，选取车体的材料属性、几何参数和载荷作为随机变量，分别采用蒙特卡洛和响应面数值模拟方法，计算得到了高速列车车体参数灵敏度，两种方法得到结果一致，响应面法极大缩减了求解时间，更加适用于车体这种大型复杂结构的参数灵敏度分析。计算分析得到了对高速列车车体疲劳强度影响显著与不显著的参量，对车体可靠度影响较大的参数在车体设计制造过程中严格控制，影响不显著的参数可通过结构优化减小冗余设计。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车辆结构疲劳强度可靠性研究现状

1．2．2 车辆结构参数灵敏度分析方法

1．3 本文主要研究内容

第2章 动态可靠度及参数灵敏度分析方法

2．1 可靠性及可靠度的定义

2．2 结构动态可靠度建模理论

2．2．1 传统应力强度干涉模型

2．2．2 次序统计量及其分布

2．2．3 载荷多次作用时等效应力分布

2．2．4 动态可靠度分析模型

2．3 可靠性参数灵敏度计算方法

2．3．1 解析法

2．3．2 数值模拟法

2．4 解析法与数值模拟法实例对比分析

2．4．1 解析法求解可靠度及参数灵敏度

2．4．2 数值模拟法求解可靠度及参数灵敏度

2．4．3 解析法与数值模拟法结果对比

2．5 本章小结

第3章 车体强度可靠度标准方法研究

3．1 车体有限元模型的建立

3．2 车体设计标准对比分析

3．3 车体静强度及可靠性安全系数分析

3．3．1 载荷处理及边界条件确定

3．3．2 车体静强度分析

3．3．3 车体静强度可靠性安全系数分析

3．4 车体疲劳强度及可靠性安全系数分析

3．4．1 车体Goodman曲线绘制

3．4．2 疲劳工况确定

3．4．3 车体疲劳强度可靠性安全系数分析

3．5 本章小结

第4章 车体动态可靠度分析

4．1 车体动态可靠度分析步骤

4．2 车体动态载荷历程计算

4．2．1 车辆系统动力学模型建立

4．2．2 车辆系统动力学仿真

4．2．3 车体动态载荷历程确定

4．3 车体应力时间历程计算

4．3．1 多项式拟合法

4．3．2 多项式拟合法求解车体动应力

4．3．3 多项式拟合法与瞬态计算对比

4．4 车体应力及强度分布确定

4．4．1 应力概率分布

4．4．2 强度概率分布

4．5 车体动态可靠度计算

4．5．1 不考虑强度退化时可靠度计算

4．5．2 考虑强度退化时可靠度计算

4．6 本章小节

第5章 车体可靠性参数灵敏度分析

5．1 基于ANSYS／PDS的概率分析方法

5．2 蒙特卡洛法求解车体参数灵敏度

5．2．1 蒙特卡洛法数值模拟流程

5．2．2 车体参数化有限元模型建立

5．2．3 蒙特卡洛法求懈参数灵敏度

5．3 响应面法求解车体参数灵敏度

5．3．1 响应面函数拟合

5．3．2 响应面函数评估

5．3．3 响应面法求解参数灵敏度

5．3．4 蒙特卡洛法与响应面法结果对比分析

5．4 本章小节

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果