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高速动车组车体铝合金横梁疲劳裂纹扩展研究

韦青山  
【摘要】:铝合金作为一种成熟的轻金属材料,其在高速动车组车体上的广泛使用已经被公认为是实现车体轻量化的重要途径。目前高速列车底架横梁主要采用A7N01-T5铝合金大型挤压型材,这些横梁用于吊挂车下设备,以保证车辆的正常运行。但是随着高速列车的速度不断提高,车底铝合金横梁受到的垂向动载荷越来越大,某高速动车组车底横梁出现了疲劳裂纹的问题,研究横梁结构的疲劳裂纹扩展的寿命和裂纹扩展路径将对提高我国动车组的可靠性和安全性具有重要意义。本文选取了我国高速动车组列车常用的A7N01-T5铝合金车底横梁为对象,通过疲劳裂纹扩展试验结合ABAQUS和NASGRO软件研究疲劳裂纹扩展行为。首先对车底横梁进行了安装应力试验和实际线路上的动应力试验。根据牵引变流器设备和横梁可能出现的配合间隙分工况进行安装应力试验。结果表明横梁的各个吊挂点上的应力并不相同,其应力值具有分散性,随着模拟间隙的增大,横梁吊挂点处的安装应力值也在变大。实测高速动车组在线路上运营时横梁的动应力数据,基于nCode软件处理线路动应力试验的数据得到各个测点的应力谱,计算其在列车运营1200万公里下的等效应力,结果表明横梁上各测点的动应力水平较小。接着将横梁的受力情况进行简化,截取部分横梁制作试样,利用MTS疲劳试验机进行了标定试验,确定横梁所受载荷大小。在裂纹最易发生的位置,横梁的T型槽内侧拐角处,预制一条贯穿裂纹并进行了横梁试件的疲劳裂纹扩展试验。研究了横梁结构在平面应变条件下,受幅值不同的恒幅垂向循环载荷下,疲劳裂纹扩展寿命和裂纹扩展路径,其结果表明在相同的载荷均值下,裂纹扩展的寿命随着载荷幅值的减小而增大,裂纹扩展路径相似,均沿着横梁法兰水平扩展。在ABAQUS中,利用其扩展有限元功能,在横梁试件的有限元模型上插入预制初始裂纹,并建立试件实际约束和载荷,观察裂纹扩展情况。结果表明XFEM方法能够有效地模拟出横梁结构疲劳裂纹扩展行为,准确计算出裂纹扩展寿命,为解决工程结构的实际问题提供了方便有效的途径。利用断裂力学分析软件NASGRO对横梁试件进行疲劳裂纹扩展分析,结果表明NASGRO软件能够方便地计算出疲劳裂纹扩展寿命。接着考虑横梁与螺栓存在几何不匹配的情况下,利用NASGRO联合ABAQUS软件对含裂纹的试样结构进行在螺栓预紧力和循环载荷加载下的裂纹扩展和裂纹失稳分析,结果表明横梁超差的存在对裂纹扩展有很大影响,超差越大裂纹扩展的寿命越小。


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