基于刚柔耦合理论的高速列车车体振动疲劳研究

摘要

近年来中国高速铁路得到了迅速发展，完成了从引进、消化、吸收再到自主创新的重要阶段。高速列车车体是列车重要的承载部件，其结构可靠性直接关系车辆系统整体可靠性。随着列车运行速度的提升，加之轻量化导致的车体刚度减小，使得车体结构疲劳失效问题频发。因此，如何在设计初期就识别在服役情况下的车体结构的薄弱位置；同时，尽可能准确的模拟车辆服役条件，以准确评估车体关键薄弱位置的疲劳寿命就变得尤为重要。本论文结合车辆系统刚柔耦合动力学理论和模态应力恢复法，开展了车体动态薄弱位置识别方法研究，考虑线路和轮轨特征的关键位置特征应力谱及外推方法研究，以及基于京广线路实际线路条件的关键部位寿命评估。工作如下：　　(1)首先，基于车辆系统动力学、有限元理论和刚柔耦合理论，建立了高速列车高频刚柔耦合动力学模型及车体扫频模型；在高速列车高频刚柔耦合动力学模型的基础上，分析了车体高频弹性振动对车辆动力学性能指标的影响；同时探究了车体模态截止频率及阻尼比对车辆系统动力学性能的影响。研究表明：在高速情况下车体高频模态容易被激发，因而对车辆动力学性能指标影响较大；大的模态阻尼比，能够有效抑制系统的模态振动。因此，合适的模态截止频率和阻尼比对刚柔耦合动力学模型的准确性极其重要。　　(2)其次，利用模态应力恢复法及车体扫频模型，研究并识别了车体服役情况下动态薄弱位置(窗角、门框、枕梁、牵引梁与地板交接区域等)；这些薄弱位置对构架沉浮、车体一阶垂弯、车体菱形、车体扭转、车体底架、侧墙与顶棚局部模态较为敏感。通过高速列车高频刚柔耦合动力学模型，进一步研究了车体动态薄弱位置处的特征应力谱。结果表明：随着车辆运营速度的增加、曲线半径的减小及车轮踏面等效锥度的增大，车体模态振动加剧，使得车体动态薄弱位置的应力幅值增加；并采用三参数威布尔分布研究了曲线半径及车轮等效锥度对特征应力谱分布的影响规律。　　(3)然后，基于京广线路实际线路条件，利用高速列车高频刚柔耦合动力学模型，研究了不同车轮等效锥度下车体动态薄弱位置应力谱；采用非参数雨流外推方法，研究了考虑车轮等效锥度演变情况下的应力谱编制方法。结果表明：随着车轮等效锥度的增大，车体动态薄弱位置应力幅值增大；考虑车轮等效锥度动态演变的应力谱编制结果的幅值比车轮等效锥度为恒定时更大。　　(4)最后，基于外推得到的应力谱，利用关键薄弱位置S-N曲线对高速列车车体薄弱位置疲劳寿命进行评估。结果表明：考虑车轮等效锥度动态演变的应力谱计算得到的车体疲劳损伤，相比车轮等效锥度恒定时更大，结果更加保守。

目录

声明

第1 章绪论

1.1选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 车辆刚柔耦合系统动力学

1.2.2载荷或应力谱的发展

1.2.3 车辆疲劳强度评价标准研究和应用现状

1.3 论文主要研究内容及框架

第2 章 高速列车刚柔耦合模型研究

2.1 高速列车多刚体系统动力学模型

2.1.1 多刚体系统动力学理论

2.1.2 多刚体系统动力学建模

2.2 高速列车刚柔耦合动力学模型

2.2.1 车体有限元模型建立

2.2.2 车体模态分析

2.2.3 模型缩减理论及应用

2.2.4 刚柔耦合动力学建模

2.3 车体柔性对车辆系统动力学性能的影响

2.3.1 车辆蛇行运动稳定性

2.3.2 曲线通过运行安全性

2.3.3 车辆运行平稳性

2.4 车体模态截止频率对车辆系统动力学性能的影响

2.5 模态阻尼比对车辆系统动力学性能的影响

2.6 本章小结

第3 章 高速列车车体特征应力谱研究

3.1 模态应力恢复法

3.2 车体动态薄弱位置识别

3.2.1 车体扫频模型的建立

3.2.2 车体动态薄弱位置的识别

3.2.3 扫频模型下车体动态薄弱位置应力分析

3.2.4 服役条件下车体动态薄弱位置动应力分析

3.3 服役条件下车体动态薄弱位置特征应力谱研究

3.3.1 雨流循环计数法介绍

3.2.2 应力谱编制方法

3.2.3 车体动态薄弱位置特征应力谱研究

3.4 应力谱分布估计与检验

3.4.1 应力谱分布规律

3.4.2 分布参数估计

3.4.3 分布假设检验

3.4.4 特征应力谱的分布拟合与检验

3.5 应力谱的扩展

3.5.1 曲线半径及踏面与应力的关系

3.5.2 应力随曲线半径及踏面等效锥度的变化规律

3.5.3 曲线半径12000m 及踏面LMA 0.1的应力谱

3.6 本章小结

第4 章服役条件下车体关键部位应力谱编制

4.1 车辆服役线路简介

4.2 应力谱仿真分析工况

4.3 等效锥度对京广线车体应力谱的影响

4.4 基于等效锥度动态演变的车体应力谱编制

4.4.1 应力谱编制方法

4.4.2 应力谱外推方法

4.4.3 车体应力谱的非参数雨流外推

4.5 本章小结

第5 章车体疲劳寿命估计

5.1 疲劳寿命研究方法

5.1.1 名义应力法

5.1.2材料S-N曲线

5.1.3 Miner 线性累积损伤理论

5.2 车体疲劳寿命研究

5.3 本章小结

结论与展望

1.结论

2.展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目