基于虛擬疲勞試驗的鐵路車輛焊接結(jié)構疲勞壽命預測.pdf

1、隨著我國鐵路向著高速、重載的方向發(fā)展，鐵路車輛的疲勞事故不斷發(fā)生，關鍵部位疲勞斷裂一旦發(fā)生，將產(chǎn)生非常嚴重的后果。車輛的疲勞問題治理是鐵路安全運輸?shù)钠惹行枨?。焊接是鐵路車輛結(jié)構的重要聯(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雜因素歸納為統(tǒng)一的物理模型或數(shù)學模型來描述，所以國內(nèi)外對疲勞問題的研究主要集中在實驗環(huán)節(jié)上，對焊接結(jié)構的疲勞研究更是如此。

2、 然而，疲勞試驗本身需要物理樣機，且成本高、周期長，而且承受復雜隨機載荷的鐵路車輛的整車在試驗臺上進行疲勞試驗，目前還辦不到。因此，基于先進的數(shù)值仿真手段，科學地預測鐵路車輛焊接結(jié)構的疲勞壽命，并快速地進行方案對比，對鐵路車輛的結(jié)構可靠性設計及其運行中的安全評定具有重要的理論價值及工程意義。 本文在對國內(nèi)外關于焊接結(jié)構疲勞及鐵路車輛疲勞壽命預測研究現(xiàn)狀綜述的基礎上，取鐵路車輛車體及轉(zhuǎn)向架焊接構架為研究載體，分別從理論方法上、數(shù)值

3、仿真上、程序?qū)崿F(xiàn)上，進行了一系列深入研究，歸納起來，本文的研究工作及研究成果主要有： 在研究了焊接結(jié)構疲勞壽命預測的基本理論和方法的基礎上，針對沒有物理樣機之前預測疲勞壽命的困難。提出了基于虛擬疲勞試驗的鐵路車輛焊接結(jié)構疲勞壽命預測的技術路線；給出了用于虛擬疲勞試驗的有限元模型的建模方法及疲勞壽命評估點的選取原則；對虛擬疲勞試驗加載模式、虛擬動應力的換算及多載荷通道疲勞壽命預測方法等虛擬疲勞試驗的關鍵技術提出了解決方法。

4、 鑒于目前鐵路車輛焊接結(jié)構的疲勞評價標準少，且美國AAR標準僅是針對鐵路貨車制定的。在進行虛擬疲勞試驗中，引入了工程上廣泛應用的國際焊接協(xié)會IIW標準和英國BS標準，從而豐富了焊接結(jié)構的疲勞特性參數(shù)，擴大了焊接結(jié)構的疲勞預測范圍。通過對三種標準的系統(tǒng)研究，歸納了三種標準的焊接結(jié)構疲勞壽命評估方法的特點，并以客車轉(zhuǎn)向架焊接構架為對象，應用IIW標準進行疲勞壽命預測。驗證了本文提出的虛擬疲勞試驗的工程應用可靠性。 結(jié)構疲勞壽命評估的

5、反問題是指在給定產(chǎn)品壽命條件下來確定結(jié)構的設計細節(jié)。由于AAR標準中疲勞壽命評估計算流程中數(shù)據(jù)流動存在唯一性，所以從數(shù)學的角度反求結(jié)構應力是成立的。本文以AAR標準為基礎，討論了結(jié)構疲勞評估的反問題，推導了多載荷作用下的結(jié)構設計應力反求解析式，為車體的可靠性設計下的等壽命設計提供了理論基礎。 為使更多的設計人員在產(chǎn)品方案設計階段，就能對包括焊縫在內(nèi)的每一個結(jié)構細節(jié)進行疲勞壽命預測，開發(fā)了鐵路貨車疲勞壽命預測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AAR標

6、準為內(nèi)核，以VisualStudio.NET集成開發(fā)環(huán)境為設計平臺，并運用二次開發(fā)技術，將AAR標準嵌入到大型有限元分析軟件I-DEAS中。系統(tǒng)內(nèi)置了AAR標準中用于疲勞計算的各種載荷譜和焊接接頭數(shù)據(jù)庫，并可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的擴充，能以人機交互方式實現(xiàn)提取I-DEAS后處理中的應力結(jié)果，并自動計算待評估點的當量應力數(shù)值，能計算待評估點的疲勞損傷值及設計壽命匯總數(shù)據(jù)，自動生成疲勞計算報告等功能。 本文的創(chuàng)新點： 1.針對

7、鐵路車輛焊接結(jié)構的特點、提出了適合工程應用的虛擬疲勞壽命預測方法。 2.研究了鐵路貨車疲勞壽命評估的反問題，推導了基于AAR標準的多載荷作用下的結(jié)構設計應力反求解析式，并進行了工程實例驗證。 3.從抗疲勞的角度提出了局部設計或補強的一個重要原則——剛度協(xié)調(diào)，從而改變了治理局部應力集中的傳統(tǒng)補強模式。 4.以AAR標準為內(nèi)核，以大型有限元分析軟件I-DEAS為平臺，基于二次開發(fā)技術，開發(fā)了一個適合工程應用的鐵路貨車