机车车辆螺栓联接结构可靠性分析

摘要

轨道车辆整体及局部结构强度问题是影响车辆使用性能和寿命的关键所在，在实际运用过程中，车辆强度的薄弱环节存在于结构连接处。对于焊接结构，可以通过动应力测量的方式评价该区域的疲劳寿命，并形成了相关的评定标准;对于螺栓联结与铆接的结构，疲劳危险点往往出现在结构预紧区，即螺栓或铆钉与母材的结合面，该区域由于预紧力和通孔导致的几何突变会产生较大的应力集中，当承担动态负载时容易产生疲劳破坏。例如，机车车辆上的高度阀板、排障器、沙箱、电气连接座、受电弓等部位在结构预紧区易出现疲劳裂纹。
　　本文以地铁车辆转向架上的高度阀板为例，研究螺栓联接结构预紧区的动应力推断方法，进而对该结构进行可靠性分析，主要工作包括:
　　(1)利用三维制图软件(SolidWorks)对高度阀板进行三维建模;利用Hypermesh软件对模型进行网格划分，且根据螺栓孔周围的应力分布情况对预紧区网格进行放射状处理;选择合适的接触参数使该有限元模型更加精确。
　　(2)研究预紧区的应力分布状态;根据谐响应分析结果，得到该高度阀板的动态响应，设计测试方案并得出预紧区与测点间的传递关系;利用实测信号对有限元模型进行修正后，推算出预紧区的应力-时间历程;根据材料99％可靠度下的S-N曲线，推算出预紧区的S-N曲线后，对该螺栓联接结构进行疲劳强度评估。
　　(3)提出高度阀板的优化方案，两种改进结构经过计算显示均能安全运营360万公里;，且固有频率远离外载频率。
　　(4)根据谐响应分析结果，找出改进结构预紧区与测点间的动态传递关系;设计了预紧区附近的应力测试方案，利用模拟加载以及线路实测，验证了高度阀板螺栓结构周围存在线性微幅振动。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 疲劳研究现状

1．2 课题背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．4 研究内容

2 螺栓联接结构建模

2．1 建模软件简介

2．1．1 SolidWorks三维设计软件

2．1．2 Hypermesh有限元软件

2．1．3 ANSYS有限元软件

2．2 三维模型的建立与简化

2．3 模型离散化

2．3．1 预紧区及螺栓的网格划分

2．3．2 整体结构的网格

2．4 施加预紧力

2．5 非线性接触算法及参数的设置

2．5．1 接触算法及实常数

2．5．2 接触单元选项

2．5．3 FKN的选取

2．6 MPC接触算法及参数的设置

2．7 接触算法的对比与选择

2．8 本章小结

3 螺栓联接结构应力分析

3．1 不同工况下螺栓联接结构应力响应

3．2 横向载荷作用下螺栓联接结构的应力分布状态

3．3 预紧区应力推断

3．3．1 预紧区的应力传递关系

3．3．2 预紧力对于应力传递关系的影响

3．3．3 不同方向载荷对于应力传递关系的影响

3．4 螺栓联接结构的动态特性

3．4．1 模态分析基础理论

3．4．2 模态分析结果

3．5 螺栓联接结构的谐响应分析

3．5．1 谐响应分析基础理论

3．5．2 谐响应分析结果

3．7 本章小结

4 螺栓联接结构的可靠性评价

4．1 数据采集及处理

4．1．1 数据采集系统

4．1．2 雨流计数法

4．1．3 数据处理方法

4．2 预紧区应力推断

4．2．1 螺栓连接布片方案

4．2．2 实测信号分析

4．2．3 预紧区应力推断

4．3 结构的可靠性评价

4．3．1 Miner线性累计损伤法则

4．3．2 预紧区的S-N曲线

4．3．3 结构的疲劳评估

4．4 本章小结

5 高度阀板结构改进

5．1 单边加强筋的改进方式

5．1．1 改进结构的静力学分析

5．1．2 改进结构的模态分析

5．1．3 改进结构的谐响应分析

5．2 槽型结构的改进方式

5．2．1 改进结构的静力学分析

5．2．2 改进结构的模态分析

5．2．3 改进结构的谐响应分析

5．3 本章小结

6 螺栓联接结构改进动态分析

6．1 理论推导

6．2 谐响应计算

6．3 实测数据分析

6．3．1 模拟加载

6．3．2 线路实测

6．4 预紧区应力推断

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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