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动车组铝合金车体疲劳寿命评估理论与试验研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景和工程意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 疲劳的发展历程

1.2.2 载荷谱的研究现状

1.2.3 铁道车辆疲劳强度评价方法研究现状

1.2.4 车体台架试验研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 铝合金车体焊接结构抗疲劳设计

2.1 疲劳强度的分类

2.2 疲劳破坏机理

2.3 疲劳强度的影响因素分析

2.3.1 材料疲劳影响因素

2.3.2 焊接结构疲劳影响因素

2.4 结构抗疲劳设计

2.4.1 抗疲劳设计准则

2.4.2 抗疲劳设计方法

2.4.3 焊接结构的抗疲劳设计细则

2.4.4 焊接接头的抗疲劳措施

2.5 常用铝合金结构疲劳评估标准对比介绍

2.5.1 国际焊接协会ⅡW建议

2.5.2 美国ASME标准

2.5.3 德国DVS1608标准

2.5.4 航空铝合金结构强度评估标准

2.5.5 基于DVS1608标准的车体疲劳强度评估

2.6 小结

第3章 高速动车组车体疲劳载荷谱的研究

3.1 车体载荷谱的获取

3.2 车体载荷时间历程数据处理

3.2.1 零漂处理

3.2.2 异常信号处理

3.2.3 滤波处理

3.2.4 无效幅值的省略

3.3 载荷谱的外推

3.3.1 参数外推法

3.3.2 雨流矩阵外推法

3.3.3 POT外推法

3.3.4 分位数外推法

3.4 载荷谱分布和极值的确定

3.5 车体疲劳试验载荷谱的编制

3.5.1 循环计数法

3.5.2 波动中心法

3.5.3 变均值法

3.5.4 标准载荷块谱的编制

3.6 小结

第4章 基于车体加速度的疲劳损伤评估

4.1 刚柔耦合多体系统动力学建模与仿真

4.1.1 刚柔耦合多体系统动力学模型的建立

4.1.2 动力学仿真工况

4.2 加速度载荷谱仿真分析

4.2.1 不同速度级车体加速度分析

4.2.2 不同线路条件车体加速度分析

4.2.3 故障工况下车体加速度分析

4.2.4 不同踏面车体加速度分析

4.3 实测加速度载荷谱分析

4.4 车体结构疲劳寿命评估

4.4.1 仿真载荷谱作用下车体寿命评估

4.4.2 实测加速度谱作用下车体寿命评估

4.5 小结

第5章 气动载荷对车体疲劳损伤影响

5.1 气动载荷对车体静强度的影响

5.1.1 气动载荷加载方式研究

5.1.2 气动载荷对车体强度影响分析

5.2 气动载荷谱的获取

5.2.1 空气动力学模型的建立

5.2.2 气动载荷谱的获取

5.3 基于气动载荷谱的车体疲劳强度分析

5.3.1 隧道通过时车体气动载荷响应

5.3.2 隧道会车时车体气动载荷响应

5.3.3 明线会车时车体气动载荷响应

5.3.4 气动载荷谱作用下车体寿命评估

5.4 小结

第6章 整车车体疲劳强度试验研究

6.1 车体疲劳试验台简介

6.1.1 国外车体试验台简述

6.1.2 国内车体试验台简述

6.1.3 西南交通大学车体试验台简述

6.2 车体疲劳强度试验方法研究

6.2.1 现行标准对车体疲劳强度试验的规定

6.2.2 车体恒幅值加载试验

6.2.3 车体变幅值加载试验

6.3 气动加载疲劳试验研究

6.4 整车车体疲劳试验

6.5 车体疲劳强度试验标准建议

6.5.1 疲劳试验载荷

6.5.2 试验设备调整及被试车体安装

6.5.3 车体疲劳试验期间的监测及检查

6.5.4 疲劳试验数据整理

6.5.5 疲劳试验结果评估

6.6 小结

第7章 车体局部样机疲劳强度试验研究

7.1 车体局部样机疲劳强度试验方法研究

7.1.1 挠度一致性方案

7.1.2 应力水平一致性方案

7.1.3 双底架挠度一致性方案

7.2 车体局部样机底架静强度试验验证

7.2.1 试验方案的确定

7.2.2 垂向挠度对比

7.2.3 垂向载荷下的应力对比

7.2.4 横向载荷下的应力对比

7.2.5 纵向载荷下的应力对比

7.2.6 车体局部样机静强度试验

7.3 车体局部样机疲劳强度试验

7.3.1 整车车体虚拟疲劳试验研究

7.3.2 评估点的选取

7.3.3 底架动应力测试与整车仿真对比分析

7.4 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及科研成果

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摘要

随着列车运行速度的提高,出现在车体结构上疲劳强度问题越来越多。我国针对车体疲劳强度的设计评定标准尚停留在时速200公里的阶段,对时速300公里及以上动车组的车体服役载荷缺乏系统研究,既没有系统考虑各种工况下车体振动服役环境,也没有考虑气动载荷的影响,而欧洲UIC566\EN12663标准对车体疲劳强度的要求,与我国动车组现有的运行里程、使用密度及维修体系差异很大。开展我国动车组车体的服役载荷的系统研究,开展整车车体疲劳试验研究,对我国动车组车体研发具有重要意义。本文主要开展以下工作:
  (1)通过对国内外铁路常用的疲劳强度评估标准的对比分析,提出选用DVS1608标准对铝合金车体进行疲劳强度评估的基本方法,并采用多轴应力评估方法对母材和焊缝的利用度进行计算,考虑了循环载荷对材料和焊缝许用疲劳强度的影响,并对评估点总利用度进行修正。
  (2)对车体疲劳载荷谱进行系统研究,根据线路实测和动力学仿真得到的车体加速度时间历程,对其进行零漂、异常信号、滤波和无效幅值处理。将载荷谱外推至106,根据其均值和幅值分布函数确定载荷块谱的极值,生成用于疲劳试验的标准载荷块谱。
  (3)建立了动车组的刚柔耦合系统动力学模型,仿真车轮踏面磨耗、抗蛇行减振器故障、空簧失气等工况、在直线、曲线运行和道岔通过等各种工况下的车体加速度时间历程,评估了不同运用工况对车体损伤的不同影响。结合空气动力学仿真,得到车体在气动载荷作用下的应力和位移时间历程,评估了车体关键部位的损伤。
  (4)在系统调研国内外车体疲劳试验台基础上,提出了惯性加载的试验台基本方案,通过膨胀气动加载和压缩气动加载两种方式对车体强度的影响分析,提出了可以同时进行气动加载和惯性加载的试验台建设方案,协助完成了动车组整车车体疲劳试验台的建设。
  (5)研究了动车组整车车体疲劳试验方法,包含了车体恒幅值加载试验、变幅值块谱加载试验、随机载荷试验以及车体气动载荷疲劳试验,测试了车体关键部位的动应力,据此对车体疲劳寿命进行评估,提出了动车组车体疲劳试验标准建议稿。
  (6)开展了车体局部样机疲劳试验研究,以挠度一致性和应力水平一致性为前提,提出局部样机载荷的等效处理方法和约束边界处理方法,并在试验台上验证了该方法,为开展动车组车体局部疲劳试验提供了更合理的方案。

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