振动模态对高速列车车体疲劳寿命的影响分析

摘要

随着我国高速列车的广泛应用，其技术先进性和性能优越性得到了肯定。高速列车不同于普通列车的主要特点，就是其运行速度大于200km/h，而且列车的速度还在不断提升，以达到其高速运输的目的。与此同时，高速列车结构承受的载荷以较高频率小幅载荷为主，而且车辆轻量化的要求导致车体采用铝合金材料，车体本身的模态特性发生了显著变化。通过分析车体结构模态对其疲劳的影响，有效地控制高速列车车体的模态，避免有害模态的出现，从而为车辆动态设计提供参考，具有非常重要的实际意义。
　　本文首先建立了某型高速列车车体的有限元模型，在对比分析车体的三个设计标准EN12663-2010《铁路设施-铁路车辆车身的结构要求》，JIS E7106-2006《铁路机车车辆客车车体设计一般要求》和《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》的基础上，选用EN12663标准作为车体强度、刚度和疲劳强度分析的依据，确定了车体的载荷工况，分别对其静强度、刚度和疲劳强度进行了评估。计算结果表明:静强度和刚度满足要求标准要求，采用最大主应力原则对车体多轴疲劳强度进行了评估，其疲劳强度满足要求。
　　其次，采用准静态叠加法对车体疲劳寿命进行了计算。通过建立车辆系统动力学模型，考虑线路激励，计算了高速列车不同速度级别下的车体随机载荷时间历程。综合车体单位载荷下的静强度分析结果和铝合金材料的S-N曲线，基于Miner线性累积损伤理论，计算得到了车体在不同速度级别下的疲劳损伤。准静态叠加法疲劳损伤计算结果为后续考虑模态影响下的车体疲劳损伤对比提供数据。
　　最后，采用模态叠加法对高速列车车体进行了疲劳损伤计算。首先计算了车体在空车和整备状态下的模态，并进行了对比分析。接着对车体进行瞬态响应计算，得到各阶模态瞬态响应时间历程，分别计算单个模态和多个模态叠加后的模态应力，结合铝合金材料的S-N曲线以及Miner损伤理论，分析了模态对车体疲劳损伤的影响，发现了影响车体疲劳损伤较大的几阶模态。
　　在此基础上，本文对车体疲劳寿命预测的准静态叠加法和模态叠加法进行了对比分析，计算结果对比表明:采用模态叠加法计算得到的车体寿命相对准静态叠加法计算得到的车体寿命在动态关注点上要低，主要原因为:考虑了车体模态频率的影响后，车体的模态频率被随机载荷频域谱激发，而模态叠加之后的振型在地板及车窗角处影响较大，导致该部位的疲劳损伤大大增加;而准静态叠加法的疲劳损伤计算是考虑车体单位载荷静强度与随机载荷时间历程的线性叠加得到应力历程，基于Miner损伤理论得到的，其结果与车体自身振动模态无关。考虑列车不同运行速度，采用模态叠加法计算了车体的疲劳损伤，计算结果发现:列车运行速度不同，模态对车体疲劳损伤的影响不同。原因是随着列车运行速度的增加，车体随机载荷的高频振动增加，从而车体模态对其疲劳损伤的影响也发生了变化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容

第二章 高速列车车体疲劳分析方法

2．1 车体设计相关标准对比分析

2．2 疲劳强度分析方法

2．2．1 疲劳强度评定方法介绍

2．2．2 Goodman疲劳极限图的绘制

2．3 疲劳寿命分析方法

2．3．1 Miner线性累积损伤理论

2．3．2 雨流计数法

2．3．3 准静态叠加法

2．3．4 模态叠加法

2．4 焊接结构疲劳强度分析理论

2．4．1 名义应力法

2．4．2 热点应力法

2．4．3 缺口应力法

2．5 本章小结

第三章 高速列车车体静强度及疲劳强度计算分析

3．1 高速列车车体结构简介

3．1．1 车体结构的主要技术参数

3．1．2 铝合金材料特性

3．2 车体有限元模型的建立

3．2．1 车体结构附件及乘客质量的模拟

3．2．2 车体有限元模型的建立

3．3 载荷工况确定

3．3．1 约束条件

3．3．2 载荷的确定

3．3．3 工况组合

3．4 车体静强度及刚度计算分析

3．4．1 静强度及刚度评定方法

3．4．2 车体静强度及刚度计算结果分析

3．5 车体疲劳强度评定

3．5．1 车体疲劳强度载荷工况

3．5．2 车体疲劳强度结果分析

3．6 本章小结

第四章 车体准静态叠加法疲劳寿命计算分析

4．1 准静态叠加法计算车体疲劳寿命一般步骤

4．2 单位载荷静强度计算

4．3 车体载荷时间历程的计算

4．4 车体准静态疲劳寿命分析

4．5 本章小结

第五章 振动模态对车体疲劳寿命影响分析

5．1 模态叠加法计算车体疲劳寿命的步骤

5．2 车体模态分析

5．2．1 自由模态计算

5．2．2 约束模态计算

5．3 车体频域载荷谱分析

5．4 模态叠加法计算车体疲劳寿命

5．4．1 车体模态瞬态响应计算

5．4．2 车体疲劳寿命计算

5．5 模态对车体疲劳寿命的影响分析

5．5．1 相同速度级别下不同模态对车体疲劳寿命影响分析

5．5．2 不同速度级别下不同模态对车体疲劳寿命影响分析

5．5．3 准静态叠加法与模态叠加法对比

5．6 本章小结

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项目