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铁道客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究

卢耀辉  
【摘要】:我国铁道客车转向架构架均采用钢焊接结构,这样可大大降低车辆结构的白重。但是,运行速度的提高、载荷的增大、频率范围的扩大,尤其是复杂的焊接接头形式使得转向架构架的承载状况变得十分恶劣。由于焊接接头存在的焊接缺欠,如几何不平顺、空洞、夹杂、残余应力及变形、热影响区母体材料性质的变化等,导致焊接接头是结构失效的主要区域。在以往的铁道车辆运行中,焊接构架陆续暴露出许多疲劳可靠性方面的问题,随着列车速度的不断提高,对其安全可靠性提出了更高的要求。本文将以铁道客车转向架焊接构架作为研究对象,对其疲劳可靠性开展较深入的研究,主要开展以下的研究工作: (1)从设计-制造一体化的角度,研究构架焊接缺欠的形成机理。采用数值模拟的方法对T型焊接接头的焊接变形进行了热-弹塑性法和固有应变法对比分析,并应用固有应变法对构架焊接变形进行了数值模拟。提出了消除焊接缺欠的工艺措施,以确保构架的疲劳强度可靠性。 (2)基于多轴疲劳强度的基本理论,对转向架构架在有限元分析中的建模方法和标准载荷下的应力状态进行了分析,基于3种将多轴应力转化为单轴应力的方法(最大主应力法、Mises等效平均应力法和Sines平均主应力法),分别应用ERRI B 12/RP 17和JIS E4207推荐的焊接结构Goodman曲线对构架进行了疲劳强度对比分析。得出结论认为,三种转化方法中,最大主应力方法适合于构架的多轴疲劳强度分析。 (3)运用多刚-柔耦合系统动力学方法,首先在有限元分析软件中建立了转向架构架的柔性体模型,然后在多体动力学软件中建立完整的车辆系统动力学模型,考虑构架的柔性,其余主要部件如车体、轮对及轴箱等仍作为刚体处理。通过时域积分,计算出构架的振动响应。获得构架载荷谱的基础上,本文探讨了几种应力谱的分析方法,对瞬态动力学分析法和多项式耦合方法进行对比,通过随机抽取的载荷样本历程将载荷谱转换成应力谱,并将转换的应力谱与瞬态计算出来的应力时间历程作对比,分析了其误差。最后采用多项式耦合方法得到了构架疲劳寿命评估的应力历程样本。基于WAFO雨流技术和Miner损伤理论,以及ⅡW推荐的焊接接头的名义应力法S-N曲线和BS7910标准的裂纹扩展率曲线,对构架的疲劳寿命和裂纹扩展寿命进行了分析,其寿命满足设计要求。 (4)基于结构动态设计的思想,应用模态分析的方法研究由于振动引起的疲劳强度问题是目前广泛采用的研究手段。采用模态叠加法,将构架模态对其疲劳强度的影响进行了分析,在此基础上可以改进构架的动态性能,提高构架的疲劳可靠性。 (5)铁道车辆转向架构架的可靠性受诸多因素的影响,找到主要因素是保证设计高可靠性构架的前提。本文运用概率分析方法,建立了某转向架构架的参数化有限元模型,选取构架的材料属性、几何参数和载荷等作为随机变量,通过统计分析得到其分布参数;以构架母材和焊缝部位疲劳薄弱环节的最大主应力与其许用疲劳强度建立失效状态函数;基于蒙特卡罗数值模拟方法,计算了转向架构架的可靠性参数灵敏度,为构架的优化设计提供参考。 (6)提出利用加速寿命试验方法解决高速列车关键部件的可靠性试验成本和时间问题,并用子系统的寿命预测整体系统的寿命,用构架试验验证。通过焊接接头的失效模型估计构架的疲劳寿命,对构架和几个焊接接头进行了疲劳试验,推断了构架疲劳试验的加速系数,计算了试验后的损伤值和寿命。


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