基于实测载荷的CRH2型动车组车体枕梁疲劳强度研究

摘要

随着铁路进入高速发展期，高速动车组发挥着越来越重要的作用，而车体作为动车组的关键部件，在动车组设计中处于十分重要的地位。枕梁位于车体底部，直接把车体的各种载荷传递到转向架，因此枕梁的疲劳强度与寿命是否符合设计要求直接关系到列车运行的安全性能。
　　车体在车辆运营过程中会受到各种冲击载荷，运营工况也十分复杂，本文采用有限元方法对车体进行了静强度、疲劳强度和模态分析，并通过线路试验对车体枕梁关键部位进行了动应力测试，根据实测数据分析的结果对车体枕梁疲劳安全性能进行评估。之后，本文在综合考虑铝合金应力腐蚀影响基础上，应用疲劳强度及断裂力学理论对车体枕梁关键部位焊缝的裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命进行了计算，得到了车体关键部位疲劳寿命和累计损伤值。本文的主要工作如下:
　　(1)首先根据二维图纸建立车体的三维有限元模型，然后参考相关的技术标准和规范，进行有限元仿真分析，分析了车体枕梁的静强度、疲劳强度以及模态。
　　(2)根据枕梁结构特点和有限元仿真的结果，确定了疲劳关键部位，线路测试了这些部位的动态应力;对采集到应力-时间历程，采用雨流计数法编制应力谱，结合Miner疲劳累积损伤法则，分析了这些部位的疲劳损伤随时间的演化规律。
　　(3)结合应力腐蚀作用机理，根据铝合金材料腐蚀环境下p-S-N曲线和Paris公式，计算车体关键部位在实测应力谱下的裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命;分析了不同位置裂纹腐蚀程度对车体枕梁区域裂纹萌生和裂纹扩展的影响。
　　(4)采用适用于有限元技术的等效结构应力法对枕梁中关键焊缝进行应力分析，提取焊趾处节点力和节点力矩并计算出结构应力。通过Paris裂纹扩展理论，结合美国ASME标准中相关材料的主S-N曲线对枕梁焊缝结构进行疲劳寿命评估。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和工程意义

1．2 结构疲劳强度研究的发展及应用

1．3 车体强度评价标准

1．4 本论文的主要研究内容

2 CRH2A动车组车体枕梁有限元模型建立

2．1 有限元法概述

2．2 动车组头车车体结构简介

2．2．1 车体双壳结构及特点

2．2．2 车体结构组成

2．2．3 车体结构主要技术参数

2．3 车体结构模型的建立

2．3．1 有限元建模的基本原则

2．3．2 结构几何模型的建立

2．3．3 有限元模型的建立

2．4 本章小结

3 车体枕梁结构静强度、疲劳强度与模态分析

3．1 强度计算工况的确定

3．1．1 工况的选择

3．1．2 载荷的确定

3．2 强度计算评估标准

3．2．1 材料特性及许用应力

3．2．2 强度评估方法

3．3 强度计算结果

3．4 结构模态有限元分析

3．4．1 结构动力方程的建立

3．4．2 模态的提取方法

3．4．3 模态评定标准

3．5 模态计算结果

3．6 本章小结

4 车体枕梁关键部位跟踪试验及疲劳评估

4．1 试验数据的采集、处理与分析

4．1．1 动应力数据测试

4．1．2 试验数据处理

4．1．3 动应力幅值

4．1．4 典型工况分析

4．1．5 不同线路对于枕梁测试点的影响

4．2 损伤及疲劳寿命评估原理

4．2．1 材料的S-N曲线

4．2．2 平均应力对疲劳强度的影响

4．2．3 修正疲劳累积损伤理论

4．3 车体枕梁的损伤状况及寿命评估

4．3．1 编制应力谱

4．3．2 等效应力幅值

4．3．3 基于实测数据的枕梁损伤计算及寿命评估

4．3．4 车体枕梁损伤与运营里程的关系研究

4．3．5 累积损伤与运营里程的回归分析

4．4 本章小结

5 腐蚀环境下车体枕梁裂纹萌生和扩展寿命评估

5．1 铝合金应力腐蚀研究

5．1．1 铝合金的应力腐蚀

5．1．2 铝合金的腐蚀疲劳

5．2 腐蚀环境下裂纹萌生寿命计算

5．2．1 疲劳裂纹萌生寿命估算方法

5．2．2 材料的p-S-N曲线

5．2．3 关键部位裂纹萌生寿命

5．2．4 焊缝区裂纹萌生寿命

5．3 腐蚀环境下裂纹扩展寿命计算

5．3．1 断裂力学简介

5．3．2 疲劳裂纹扩展表达式

5．3．3 疲劳裂纹扩展寿命模型

5．3．4 表面裂纹扩展寿命计算

5．3．5 埋藏裂纹扩展寿命计算

5．3．6 裂纹扩展寿命综合评估

5．4 车体枕梁疲劳寿命综合评估

5．5 本章小结

6 基于结构应力的车体枕梁疲劳寿命研究

6．1 结构应力概述

6．1．1 铝合金车体焊缝对疲劳寿命的影响

6．1．2 等效结构应力的基本原理

6．2 等效结构应力的计算

6．3 车体枕梁结构应力计算

6．3．1 车体枕梁结构应力的计算

6．3．2 车体枕梁疲劳寿命和累积损伤值的计算

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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