高速列車車體加速壽命試驗載荷譜編制及疲勞壽命預測仿真
發(fā)布時間：2021-04-02 11:09
在服役過程中,高速列車車體由軌道不平順等各種因素造成的影響,將受到隨機載荷作用,容易發(fā)生疲勞失效,對乘客安全造成威脅。為確保高速列車結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性,在結(jié)構(gòu)設計階段應對其進行疲勞試驗預測壽命。由于高速列車運行速度不斷地提高,導致車體承受的隨機載荷呈高頻、低幅值為主,使車體結(jié)構(gòu)具有長壽命、高可靠性的設計要求,若使用傳統(tǒng)的壽命試驗將會花費大量的時間、資源。因此,在設計階段采用加速壽命試驗方法快速獲得車體結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱位置,在此基礎上定量化預測其疲勞壽命,對車體設計具有重要的工程意義和應用價值。參照FKM標準和UIC標準,結(jié)合加速壽命試驗方法、車輛系統(tǒng)動力學仿真、有限元法、多項式擬合法、結(jié)構(gòu)應力法和線性損傷理論等方法對車體加速壽命試驗載荷譜進行編制,并定量化預測其疲勞壽命。首先,編制加速壽命試驗載荷譜:通過動力學仿真計算車體垂向隨機載荷譜,經(jīng)過雨流、外推后,結(jié)合FKM標準編制了車體的八級載荷譜;基于UIC標準載荷譜編制原理,結(jié)合EN12663標準中車輛的疲勞載荷設計,將垂向載荷編制成為三級載荷譜。其次,對加速載荷譜下的車體疲勞損傷進行仿真計算:建立車體有限元模型,根據(jù)載荷譜的設計工況進行...
【文章來源】：西南交通大學四川省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：89 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
本文技術路線示意圖
西南交通大學碩士研究生學位論文第6頁第2章車體加速壽命試驗載荷譜編制載荷譜獲取是結(jié)構(gòu)進行疲勞分析的前提。通過高速列車車輛系統(tǒng)動力學模型，結(jié)合實測軌道譜，仿真模擬計算車體承受的垂向隨機載荷譜。分別基于FKM標準及UIC標準載荷譜編制原理對隨機載荷譜進行編制，獲得車體的垂向八級載荷譜及三級載荷譜，為下一章的疲勞分析提供載荷數(shù)據(jù)。2.1加速壽命試驗方法2.1.1加速壽命試驗的定義加速壽命試驗的特點是將試件置于高應力水平下，通過試驗得到失效相關數(shù)據(jù)后，利用試件壽命和應力水平之間的關系，推導試件在正常應力水平下的壽命特征。基于加速壽命試驗法來預測疲勞壽命的基本理論是外推高應力水平作用下的特征壽命至正常應力水平下的特征壽命，建立應力與壽命之間的聯(lián)系，即加速模型。由外部原因造成試件失效的應力包括熱應力（如溫度）、濕應力（如濕度）、機械應力（如振動、載荷、摩擦）、電應力（如電壓、功率）等[67]。利用現(xiàn)有的加速度模型比試驗方法更容易確定加速度系數(shù)，所需樣本數(shù)較少。2.1.2加速壽命試驗的分類加速壽命試驗進行規(guī)劃時，其常用的加載類型如下[68]：圖2-1加速壽命試驗類型（a）恒定應力加速壽命試驗（簡稱恒加試驗）：將試件分為幾組，施加某個恒定加速應力水平至各組，執(zhí)行壽命試驗，直至每組都失效了一定數(shù)目的試件為止。作為傳統(tǒng)加速壽命試驗的加載模式，其載荷大小便于控制、統(tǒng)計分析相對成熟，試驗過程中無沖擊載荷的產(chǎn)生，對試驗設備性能要求較低，廣泛應用于實驗室的疲勞試驗。然
西南交通大學碩士研究生學位論文第8頁過Basquin方程計算而得，也就是結(jié)合S-N曲線對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行預測。因此，通過以上推導可確定本文的高速列車車體加速壽命試驗是基于逆冪律模型進行仿真模擬的。2.1.4加速系數(shù)加速系數(shù)在加速模型中起到承上啟下的作用，是正常應力水平下的特征壽命和加速應力水平下的特征壽命的比值，是一個重要參數(shù)，可在模型中傳遞數(shù)據(jù)，也可對工程實際中的可靠度進行設計等。比如，在正常應力水平0S下試件的失效分布函數(shù)為0F(t)，p,0t是p分位壽命（0,0()pFt=p）；此試件在加速應力水平iS的失效分布函數(shù)是tF)(i，p,it是p分位壽命（,()ipiFt=p），則加速系數(shù)是它們的p分位壽命之比。,00,psispitt=(2-3)其中，sis0是iS對0S在p分位壽命的加速系數(shù)。綜上所述，加速系數(shù)為兩個不同應力水平的特征壽命之比，其中包括一個正常應力水平0S和一個加速應力水平iS。當0S不變、iS增加時，p分位壽命p,it將會降低，從而加速系數(shù)i0ss將會增大。2.2車體隨機載荷譜的計算2.2.1車輛系統(tǒng)動力學模型的建立車輛系統(tǒng)主要由輪對、枕梁、構(gòu)架、車體、減振器、一系和二系懸架等組成，其是一種多自由度的非線性振動系統(tǒng)[69]。本文中，采用動力學仿真軟件建立車輛系統(tǒng)動力學模型，該模型將輪對、枕梁、構(gòu)架和車體視為剛體，軸彈簧、空氣彈簧、抗蛇行減振器和橫向/縱向振動吸收器被視為力元。綜合考慮動力學相關參數(shù)，構(gòu)建的車輛系統(tǒng)動力學模型，如圖2-2。圖2-2車輛系統(tǒng)動力學模型
【參考文獻】：
期刊論文
[1]航天繼電器步退加速壽命試驗溫度應力周期的確定方法[J]. 李文華,鄭杭,陳君,李爽,胡琦. 航天控制. 2018(05)
[2]Inference and optimal design on step-stress partially accelerated life test for hybrid system with masked data[J]. SHI Xiaolin,LU Pu,SHI Yimin. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(05)
[3]風電齒輪箱加速疲勞壽命試驗驗證[J]. 曾雨田,李金庫. 機械工程師. 2018(09)
[4]柴油機高壓油管加速載荷譜編輯研究[J]. 周帥,任燕平,劉冰,李偉東,何文運. 噪聲與振動控制. 2018(04)
[5]高速列車車體加速壽命試驗載荷譜編制及分析[J]. 盧耀輝,張醒,張舒翔,曾京,黨林媛. 機械工程學報. 2017(24)
[6]加速壽命試驗原理及應用[J]. 黃遂. 工程機械. 2017(03)
[7]高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動應力計算與疲勞全壽命預測[J]. 盧耀輝,向鵬霖,曾京,陳天利. 交通運輸工程學報. 2017(01)
[8]競爭失效產(chǎn)品部分加速壽命試驗的統(tǒng)計分析[J]. 師義民,師小琳. 西北工業(yè)大學學報. 2017(01)
[9]動車組轉(zhuǎn)向架載荷譜編制及其特性分析[J]. 張冉,趙子豪,張旭. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè). 2017(04)
[10]變剛度鋼板彈簧加速壽命試驗程序載荷譜編制[J]. 韓為鐸,盧劍偉,龍道江. 中國機械工程. 2017(02)
博士論文
[1]鐵道客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞可靠性研究[D]. 盧耀輝.西南交通大學 2011
碩士論文
[1]隨機載荷作用下的高速列車車體振動疲勞分析方法研究[D]. 張醒.西南交通大學 2018
[2]動車零部件壽命預測與全壽命周期研究[D]. 高雅璐.蘭州交通大學 2014
本文編號：3115167
【文章來源】：西南交通大學四川省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：89 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
本文技術路線示意圖
西南交通大學碩士研究生學位論文第6頁第2章車體加速壽命試驗載荷譜編制載荷譜獲取是結(jié)構(gòu)進行疲勞分析的前提。通過高速列車車輛系統(tǒng)動力學模型，結(jié)合實測軌道譜，仿真模擬計算車體承受的垂向隨機載荷譜。分別基于FKM標準及UIC標準載荷譜編制原理對隨機載荷譜進行編制，獲得車體的垂向八級載荷譜及三級載荷譜，為下一章的疲勞分析提供載荷數(shù)據(jù)。2.1加速壽命試驗方法2.1.1加速壽命試驗的定義加速壽命試驗的特點是將試件置于高應力水平下，通過試驗得到失效相關數(shù)據(jù)后，利用試件壽命和應力水平之間的關系，推導試件在正常應力水平下的壽命特征。基于加速壽命試驗法來預測疲勞壽命的基本理論是外推高應力水平作用下的特征壽命至正常應力水平下的特征壽命，建立應力與壽命之間的聯(lián)系，即加速模型。由外部原因造成試件失效的應力包括熱應力（如溫度）、濕應力（如濕度）、機械應力（如振動、載荷、摩擦）、電應力（如電壓、功率）等[67]。利用現(xiàn)有的加速度模型比試驗方法更容易確定加速度系數(shù)，所需樣本數(shù)較少。2.1.2加速壽命試驗的分類加速壽命試驗進行規(guī)劃時，其常用的加載類型如下[68]：圖2-1加速壽命試驗類型（a）恒定應力加速壽命試驗（簡稱恒加試驗）：將試件分為幾組，施加某個恒定加速應力水平至各組，執(zhí)行壽命試驗，直至每組都失效了一定數(shù)目的試件為止。作為傳統(tǒng)加速壽命試驗的加載模式，其載荷大小便于控制、統(tǒng)計分析相對成熟，試驗過程中無沖擊載荷的產(chǎn)生，對試驗設備性能要求較低，廣泛應用于實驗室的疲勞試驗。然
西南交通大學碩士研究生學位論文第8頁過Basquin方程計算而得，也就是結(jié)合S-N曲線對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行預測。因此，通過以上推導可確定本文的高速列車車體加速壽命試驗是基于逆冪律模型進行仿真模擬的。2.1.4加速系數(shù)加速系數(shù)在加速模型中起到承上啟下的作用，是正常應力水平下的特征壽命和加速應力水平下的特征壽命的比值，是一個重要參數(shù)，可在模型中傳遞數(shù)據(jù)，也可對工程實際中的可靠度進行設計等。比如，在正常應力水平0S下試件的失效分布函數(shù)為0F(t)，p,0t是p分位壽命（0,0()pFt=p）；此試件在加速應力水平iS的失效分布函數(shù)是tF)(i，p,it是p分位壽命（,()ipiFt=p），則加速系數(shù)是它們的p分位壽命之比。,00,psispitt=(2-3)其中，sis0是iS對0S在p分位壽命的加速系數(shù)。綜上所述，加速系數(shù)為兩個不同應力水平的特征壽命之比，其中包括一個正常應力水平0S和一個加速應力水平iS。當0S不變、iS增加時，p分位壽命p,it將會降低，從而加速系數(shù)i0ss將會增大。2.2車體隨機載荷譜的計算2.2.1車輛系統(tǒng)動力學模型的建立車輛系統(tǒng)主要由輪對、枕梁、構(gòu)架、車體、減振器、一系和二系懸架等組成，其是一種多自由度的非線性振動系統(tǒng)[69]。本文中，采用動力學仿真軟件建立車輛系統(tǒng)動力學模型，該模型將輪對、枕梁、構(gòu)架和車體視為剛體，軸彈簧、空氣彈簧、抗蛇行減振器和橫向/縱向振動吸收器被視為力元。綜合考慮動力學相關參數(shù)，構(gòu)建的車輛系統(tǒng)動力學模型，如圖2-2。圖2-2車輛系統(tǒng)動力學模型
【參考文獻】：
期刊論文
[1]航天繼電器步退加速壽命試驗溫度應力周期的確定方法[J]. 李文華,鄭杭,陳君,李爽,胡琦. 航天控制. 2018(05)
[2]Inference and optimal design on step-stress partially accelerated life test for hybrid system with masked data[J]. SHI Xiaolin,LU Pu,SHI Yimin. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(05)
[3]風電齒輪箱加速疲勞壽命試驗驗證[J]. 曾雨田,李金庫. 機械工程師. 2018(09)
[4]柴油機高壓油管加速載荷譜編輯研究[J]. 周帥,任燕平,劉冰,李偉東,何文運. 噪聲與振動控制. 2018(04)
[5]高速列車車體加速壽命試驗載荷譜編制及分析[J]. 盧耀輝,張醒,張舒翔,曾京,黨林媛. 機械工程學報. 2017(24)
[6]加速壽命試驗原理及應用[J]. 黃遂. 工程機械. 2017(03)
[7]高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動應力計算與疲勞全壽命預測[J]. 盧耀輝,向鵬霖,曾京,陳天利. 交通運輸工程學報. 2017(01)
[8]競爭失效產(chǎn)品部分加速壽命試驗的統(tǒng)計分析[J]. 師義民,師小琳. 西北工業(yè)大學學報. 2017(01)
[9]動車組轉(zhuǎn)向架載荷譜編制及其特性分析[J]. 張冉,趙子豪,張旭. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè). 2017(04)
[10]變剛度鋼板彈簧加速壽命試驗程序載荷譜編制[J]. 韓為鐸,盧劍偉,龍道江. 中國機械工程. 2017(02)
博士論文
[1]鐵道客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞可靠性研究[D]. 盧耀輝.西南交通大學 2011
碩士論文
[1]隨機載荷作用下的高速列車車體振動疲勞分析方法研究[D]. 張醒.西南交通大學 2018
[2]動車零部件壽命預測與全壽命周期研究[D]. 高雅璐.蘭州交通大學 2014
本文編號：3115167
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