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基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究

缪炳荣  
【摘要】: 目前,国内外对机车车辆车体结构在动载作用下的结构疲劳强度和动应力分析方法涉及相对很少,主要原因是由于车体结构相对复杂和现场结构耐久性试验费用昂贵。而如果仅通过施加常幅设计载荷谱将静强度分析结果直接应用在车体结构的疲劳强度评估,虽然方法简单,但会产生严重问题,因为实际服役的机车车体结构承受的主要是随机的动载荷。随着列车运营速度的不断提高,现代机车车辆工业主要发展趋势就是生产安全、可靠、轻量化的车体结构,因此机车车体结构疲劳寿命仿真研究成为一项迫切的任务和研究课题。本文基于相关领域结构疲劳研究成果,吸取文献中最新算法,提出一种利用多体动力学仿真和有限元分析相结合的方法对车体结构的疲劳寿命仿真,并对其展开较为系统的研究。 论文研究范围主要集中在机车的多体动力学仿真、车体结构有限元分析和结构疲劳寿命预测上。具体研究过程基本包括:使用时频复现技术获得多体动力学仿真的轨道随机时域激励;利用SIMPACK对机车整车系统进行刚柔体混合建模与仿真(分别考虑车体为刚性和柔性);利用ANSYS计算车体结构的应力计算(包括模态分析,子结构分析等);结合材料S-N曲线和疲劳损伤累积理论进行疲劳寿命预测。 机车整车系统多体动力学分析的重要前提之一,就是如何利用轨道空间谱转化为时域的轨道激励,以及准确描述机车系统的轨道随机激励的主要特征,使得功率谱转换产生的轨道激励时域信号的频率、相位和幅值特征不丢失。论文中参照James Andrew地形PSD技术,提出一种轨道谱时频转换的简单方法,即通过构建轨道谱的时频转换算法,解决了常规方法转换过程谱特征信息丢失的问题,为机车系统动力学准确仿真提供重要支持。 通过多体动力学软件SIMPACK对机车整车进行系统动力学仿真,可以更加深入研究机车车体结构抗疲劳特性,进而了解车体结构动态特性和结构疲劳普遍影响规律。通过对机车悬挂动力学参数以及结构优化,可以改进车体结构的抗疲劳特性。论文中设计了典型的机车运行工况并分别对其进行多体动力学仿真,包括匀速运行、曲线通过和牵引等。特别是计算了车体结构在典型动力学仿真工况作用下的35个载荷历程,包括力、速度、加速度和角速度等。同时为了考虑车体结构的柔性影响,利用多体动力学和有限元的接口程序FEMBS产生多体仿真需要的柔性体数据文件。 车体结构动态响应,通常可以表示为应力/应变历程,也是车体结构疲劳分析的重要前提。论文讨论了几种时域和频域内预测结构动应力分析方法,重点提出了多体动力学和有限元法预测车体结构动应力的思路和方法。即利用准静态应力分析方法对车体结构进行动应力计算。具体方法是利用ANSYS对车体结构进行有限元建模和分析计算,获得车体结构在35个载荷工况下的应力影响因子。并将其和多体仿真的载荷历程相互相乘叠加求和计算,最终获得车体结构应力时间历程。同时利用有限元分析分别计算了模态分析结果和子结构特征。 最后,利用雨流矩阵和Markov链理论以及MATLAB的WAFO技术,结合材料的S-N曲线和结构应力历程,以及Palmgren-Miner损伤累积理论预测车体结构疲劳寿命。利用FE-FATIGUE对车体结构采用基于应力的安全因子分析法获得结构损伤分布和应力安全因子。同时通过与线路实测的车体结构牵引座的动应力相互比较验证,验证论文提出的多体动力学和有限元法的有效性。 总之,这篇论文比较系统的阐述了基于多体动力学和有限元法对机车车体这样大型复杂结构展开疲劳研究的基本思路和方法。利用这种集成的计算方法可以在产品的开发早期较为准确的预测结构的疲劳特性,为实际研究复杂结构的疲劳寿命预测和有效进行结构耐久性测试提供了良好的理论依据。


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