铁道车辆设备随机振动疲劳寿命分析

摘要

传统的疲劳分析方法通过试验得到应力的时间历程，然后采用计数方法将不规则的应力时间历程转换为不同幅值的循环数，再利用合适的累积损伤理论，得到疲劳寿命。随着计算机技术和计算力学的不断发展，基于有限元技术的疲劳分析方法逐渐被人们所采用。这使得在工程设计阶段进行结构静、动态强度的考核，特别是进行疲劳寿命分析，快速、直观地评定产品成为可能，对指导设备的结构设计、制造、检修以及管理等，预防疲劳断裂事故的发生具有重要意义。
　　研究总结了随机振动下的结构疲劳寿命时域仿真方法：准静态法与瞬态分析方法。利用这两种方法对带U形槽缺口的悬臂梁结构进行了时域随机振动疲劳寿命仿真，并将仿真结果与王明珠博士论文《结构振动疲劳寿命分析方法研究》中的试验寿命进行对比，分析两种方法的优缺点以及适用范围。结果表明：在结构动力学特性显著影响构件的疲劳寿命时，用准静态法进行模拟得到的疲劳寿命不真实；瞬态法能够较好的模拟随机振动疲劳寿命，但是瞬态法的计算量大，对计算机的要求非常高，很难在工程上得到应用。
　　分析总结了近年来陆续提出的直接利用结构响应的功率谱密度函数在频域分析确定雨流循环的概率密度函数的一些经验公式和理论模型。将试验结果作为检验手段，对带U形槽缺口的悬臂梁结构利用频域随机振动疲劳寿命分析方法中的窄带法和Dirlik法进行了仿真。通过两种分析方法的比较发现：用窄带法对宽带随机过程进行分析，得到的误差较大；Dirlik法得到的结果与振动试验得到的结果符合较好，并且随着载荷功率谱带宽的增加，Dirlik法与瞬态法计算结果偏差变小。
　　对带U形槽缺口的悬臂梁结构的随机振动疲劳寿命分析，为机车车辆车下吊挂设备随机振动疲劳寿命预测打下理论和实践基础。
　　最后将随机振动疲劳寿命的频域法引入到机车车辆设备的疲劳寿命预测中。针对车辆吊挂设备一污物箱结构，根据TB/T3058-2002，取其为1类A级疲劳载荷谱，利用nastran对其进行随机振动响应分析，然后采用nsoft疲劳仿真软件，结合Dirlik准则和材料的S-N曲线，进行疲劳寿命预测。