基于虛擬疲勞試驗(yàn)的鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè).pdf

1、隨著我國(guó)鐵路向著高速、重載的方向發(fā)展，鐵路車輛的疲勞事故不斷發(fā)生，關(guān)鍵部位疲勞斷裂一旦發(fā)生，將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。車輛的疲勞問(wèn)題治理是鐵路安全運(yùn)輸?shù)钠惹行枨?。焊接是鐵路車輛結(jié)構(gòu)的重要聯(lián)接方式，也是最容易發(fā)生疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)，絕大多數(shù)的疲勞事故發(fā)生在焊接部位。 由于目前還不能從理論上將影響疲勞的眾多復(fù)雜因素歸納為統(tǒng)一的物理模型或數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，所以國(guó)內(nèi)外對(duì)疲勞問(wèn)題的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞研究更是如此。

2、 然而，疲勞試驗(yàn)本身需要物理樣機(jī)，且成本高、周期長(zhǎng)，而且承受復(fù)雜隨機(jī)載荷的鐵路車輛的整車在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，目前還辦不到。因此，基于先進(jìn)的數(shù)值仿真手段，科學(xué)地預(yù)測(cè)鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并快速地進(jìn)行方案對(duì)比，對(duì)鐵路車輛的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)及其運(yùn)行中的安全評(píng)定具有重要的理論價(jià)值及工程意義。 本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞及鐵路車輛疲勞壽命預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀綜述的基礎(chǔ)上，取鐵路車輛車體及轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架為研究載體，分別從理論方法上、數(shù)值

3、仿真上、程序?qū)崿F(xiàn)上，進(jìn)行了一系列深入研究，歸納起來(lái)，本文的研究工作及研究成果主要有： 在研究了焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的基本理論和方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)沒(méi)有物理樣機(jī)之前預(yù)測(cè)疲勞壽命的困難。提出了基于虛擬疲勞試驗(yàn)的鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的技術(shù)路線；給出了用于虛擬疲勞試驗(yàn)的有限元模型的建模方法及疲勞壽命評(píng)估點(diǎn)的選取原則；對(duì)虛擬疲勞試驗(yàn)加載模式、虛擬動(dòng)應(yīng)力的換算及多載荷通道疲勞壽命預(yù)測(cè)方法等虛擬疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)提出了解決方法。

4、 鑒于目前鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)少，且美國(guó)AAR標(biāo)準(zhǔn)僅是針對(duì)鐵路貨車制定的。在進(jìn)行虛擬疲勞試驗(yàn)中，引入了工程上廣泛應(yīng)用的國(guó)際焊接協(xié)會(huì)IIW標(biāo)準(zhǔn)和英國(guó)BS標(biāo)準(zhǔn)，從而豐富了焊接結(jié)構(gòu)的疲勞特性參數(shù)，擴(kuò)大了焊接結(jié)構(gòu)的疲勞預(yù)測(cè)范圍。通過(guò)對(duì)三種標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)研究，歸納了三種標(biāo)準(zhǔn)的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法的特點(diǎn)，并以客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架為對(duì)象，應(yīng)用IIW標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)。驗(yàn)證了本文提出的虛擬疲勞試驗(yàn)的工程應(yīng)用可靠性。 結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估的

5、反問(wèn)題是指在給定產(chǎn)品壽命條件下來(lái)確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。由于AAR標(biāo)準(zhǔn)中疲勞壽命評(píng)估計(jì)算流程中數(shù)據(jù)流動(dòng)存在唯一性，所以從數(shù)學(xué)的角度反求結(jié)構(gòu)應(yīng)力是成立的。本文以AAR標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，討論了結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的反問(wèn)題，推導(dǎo)了多載荷作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力反求解析式，為車體的可靠性設(shè)計(jì)下的等壽命設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。 為使更多的設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段，就能對(duì)包括焊縫在內(nèi)的每一個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，開(kāi)發(fā)了鐵路貨車疲勞壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AAR標(biāo)

6、準(zhǔn)為內(nèi)核，以VisualStudio.NET集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為設(shè)計(jì)平臺(tái)，并運(yùn)用二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，將AAR標(biāo)準(zhǔn)嵌入到大型有限元分析軟件I-DEAS中。系統(tǒng)內(nèi)置了AAR標(biāo)準(zhǔn)中用于疲勞計(jì)算的各種載荷譜和焊接接頭數(shù)據(jù)庫(kù)，并可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)充，能以人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)提取I-DEAS后處理中的應(yīng)力結(jié)果，并自動(dòng)計(jì)算待評(píng)估點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力數(shù)值，能計(jì)算待評(píng)估點(diǎn)的疲勞損傷值及設(shè)計(jì)壽命匯總數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成疲勞計(jì)算報(bào)告等功能。 本文的創(chuàng)新點(diǎn)： 1.針對(duì)

7、鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、提出了適合工程應(yīng)用的虛擬疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。 2.研究了鐵路貨車疲勞壽命評(píng)估的反問(wèn)題，推導(dǎo)了基于AAR標(biāo)準(zhǔn)的多載荷作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力反求解析式，并進(jìn)行了工程實(shí)例驗(yàn)證。 3.從抗疲勞的角度提出了局部設(shè)計(jì)或補(bǔ)強(qiáng)的一個(gè)重要原則——?jiǎng)偠葏f(xié)調(diào)，從而改變了治理局部應(yīng)力集中的傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)模式。 4.以AAR標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)核，以大型有限元分析軟件I-DEAS為平臺(tái)，基于二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)適合工程應(yīng)用的鐵路貨車