铁道车辆构架焊接接头疲劳评估方法研究

摘要

随着国内外铁路运输的高速化和重载化进程的快速发展，列车承载结构的服役环境更加恶劣，对车辆承载结构的动力学性能和可靠性的要求也越来越高。焊接构架作为铁道车辆重要的承载部件，它不仅可以传递转向架各部分承受的力，还是转向架其它组成部分的连接载体。因此，焊接构架的结构可靠性将直接决定铁道车辆能否安全运行。
　　论文系统地介绍了焊缝疲劳强度评定的相关理论方法，主要有名义应力法、结构应力法及局部法。其中名义应力法最简单，也是当前工程应用最为广泛的疲劳强度评定方法;结构应力法又分为表面应力外推、厚度线性化法和等效结构应力法;局部法则又分为缺口应力评定、缺口应变评定和临界距离法。此外，还简单介绍了焊缝疲劳评定的各种设计规范和标准，指出了它们的不同特点，并进一步阐述了各种规范进行焊缝疲劳评估的一般步骤。
　　根据焊接接头疲劳失效机理和DVS1612标准的要求，对构架有限元模型进行特殊处理。利用FORTRAN及APDL语言编写程序，通过ANSYS软件输出CDB文件，提取CDB文件的信息实现焊接接头质量等级分级、获得焊缝位置的节点坐标信息、不同载荷工况下焊缝区域节点在整体坐标系下的方向应力信息，自动识别不同等级焊缝的方向并确定与焊缝方向关联的名义正应力和剪应力;通过坐标变换，获得沿焊缝方向的正应力和剪应力以及与焊缝方向垂直的正应力，计算构架所有焊缝节点的沿焊缝方向和垂直于焊缝方向的名义正应力及沿焊缝的名义剪应力的利用度，并考察三者的组合效应。
　　论文以某160km/h的动车组转向架焊接构架为研究对象，依据DVS1612标准的方法原理，对结构模型进行特殊处理，采用有限元软件ANSYS对结构进行离散，为了获得高精度的应力分析值，采用形状规则的长方体或六面体单元对薄板结构进行网格划分，且在薄板厚度方向上至少划分3层单元。基于UIC615-4及EN13749标准规定的载荷及载荷工况，对构架结构的应力分布进行仿真计算，采用yon Mises屈服准则对焊接构架的静强度进行评估。分别采用多轴应力向单轴应力转化的方法和DVS1612标准方法，对构架焊接接头的疲劳强度进行评估，计算所有焊接接头节点的材料利用度，对比分析了两种疲劳强度评估方法的评定结果。结果表明:在对构架焊缝进行疲劳强度评定时，采用多轴应力向单轴应力转化的方法与DVS1612标准方法所得到的危险部位趋于一致，最危险部位也相同;但DVS1612标准方法计算得到的危险部位材料利用度相对较大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 世界其它国家铁路高速化进程

1．1．2 中国铁路高速化进程

1．1．3 铁道车辆承载结构焊缝疲劳研究的必要性及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 焊缝疲劳强度方法研究

2．1 焊缝疲劳评估方法

2．1．1 名义应力法

2．1．2 结构应力法

2．1．3 局部法

2．2 焊缝疲劳评定相关标准及规范

2．2．1 Eurocode3设计规范

2．2．2 BS7608规程

2．2．3 IIW规范

2．2．4 DVS1612规范

2．2．5 FKM设计规范

2．3 本章小结

第3章 DVS1612方法的焊缝疲劳强度评估程序实现

3．1 数据文件操作基本理论

3．1．1 APDL语言数据操作

3．1．2 FORTRAN语言文件操作

3．2 程序的总体实现过程

3．3 参数提取模块

3．4 焊缝节点局部坐标系方向应力计算模块

3．4．1 节点局部坐标系方向应力计算总体过程

3．4．2 由空间相邻三点求圆弧的圆心

3．4．3 局部坐标系下焊缝节点应力张量的确定

3．5 焊缝分级模块

3．5．1 共用节点单元的一般特征

3．5．2 节点材料编号判定的一般过程

3．6 本章小结

第4章 转向架构架结构静强度分析

4．1 构架结构及有限元模型

4．1．1 焊接构架结构

4．1．2 构架结构有限元模型

4．1．3 边界条件

4．2 构架静强度分析

4．2．1 静强度计算载荷

4．2．2 静强度载荷工况

4．2．3 静强度评定准则

4．2．4 静强度结果分析

4．3 本章小结

第5章 构架焊接接头疲劳强度评估

5．1 构架疲劳强度计算载荷工况

5．2 基于多轴应力向单轴应力转化方法的构架焊缝疲劳强度评估

5．2．1 多轴应力转化为单轴应力的方法

5．2．2 数据处理与疲劳评定依据

5．2．3 焊缝疲劳评价曲线

5．2．4 焊缝疲劳计算结果

5．3 基于DVS1612标准的焊缝疲劳评估

5．3．1 模型处理

5．3．2 焊缝分级与许用应力确定

5．3．3 计算结果

5．4 两种焊缝疲劳强度评定方法结果的对比分析

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果