鐵路貨車車體載荷譜測試及疲勞強(qiáng)度評價研究.pdf

1、隨著鐵路貨車運(yùn)輸?shù)奶崴俸椭剌d化技術(shù)的發(fā)展，車輛結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性問題變得日益突出。貨車結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度問題是制約貨車裝備技術(shù)提升的關(guān)鍵因素，尤其作為貨物運(yùn)輸承載部件的車體，在顯著低于設(shè)計壽命時過早地發(fā)生疲勞裂損，將使貨車的維修費(fèi)用居高不下，并嚴(yán)重危及行車安全。因此，有必要全面了解我國鐵路貨車服役載荷環(huán)境，建立涵蓋面最大的貨車車體載荷譜和疲勞評價方法，以利于科學(xué)、合理地進(jìn)行貨車疲勞強(qiáng)度設(shè)計和評價，并為合理安排維修周期提供理論支持。
　　

2、目前，貨車車體的疲勞強(qiáng)度評價所采用的載荷譜主要是美國AAR標(biāo)準(zhǔn)載荷譜，且結(jié)合靜態(tài)有限元仿真的方法，用疲勞損傷或等效應(yīng)力評價車體疲勞強(qiáng)度。然而，我國鐵路貨車車體在服役期內(nèi)出現(xiàn)的大量疲勞損壞表明，美國AAR標(biāo)準(zhǔn)載荷譜不一定適合中國的線路條件和貨車車型，而且采用靜態(tài)有限元仿真方法已經(jīng)無法滿足疲勞設(shè)計和評價要求。為此，本文在鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目“鐵路貨車C70型敞車通用線路載荷譜的試驗(yàn)及應(yīng)用研究”支持下，以70噸級通用敞車為研究對象，進(jìn)行

3、了國內(nèi)典型通用線路車體載荷譜實(shí)測試驗(yàn)，編制了有效的車體載荷譜，研究了車體動態(tài)載荷響應(yīng)下的疲勞強(qiáng)度評價方法，并對車體線路模擬臺架試驗(yàn)疲勞評價方法進(jìn)行了探究。主要研究如下:
　　(1)根據(jù)實(shí)際運(yùn)用中車體母材及焊接接頭情況制作了小試樣試件，通過室內(nèi)加載試驗(yàn)獲得板材及焊接接頭的S-N曲線，擬合得到S-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并對試驗(yàn)得到的S-N曲線進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难油?。同時研究了美國AAR標(biāo)準(zhǔn)和歐洲BSEN標(biāo)準(zhǔn)中的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中的疲勞性能參數(shù)。<

4、br>　　(2)線路實(shí)測了C70E型敞車在三條典型通用線路上的車體載荷及響應(yīng)信號數(shù)據(jù)，對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了有效的信號時間歷程。利用載荷識別運(yùn)算方法將信號時間歷程轉(zhuǎn)化為分載荷時間歷程，進(jìn)而通過雨流計數(shù)法編制了車體載荷譜以及應(yīng)力譜。運(yùn)用概率統(tǒng)計的方法發(fā)現(xiàn)載荷譜服從威布爾分布，推斷得到車體在整個服役期內(nèi)可能出現(xiàn)的最大載荷幅值。從最值和每公里累積頻次兩個方面對比了三條典型線路載荷譜特性，并以每公里頻次的形式將實(shí)測最值譜與AAR標(biāo)準(zhǔn)載荷最值

5、譜進(jìn)行了比較。
　　(3)通過建立車體整車有限元模型，對車體進(jìn)行了分載荷靜態(tài)有限元計算，分析得到車體大應(yīng)力部位，并研究了各分載荷作用下的載荷-應(yīng)力傳遞關(guān)系。建立車體和散粒煤的三維有限元剛?cè)峤M合模型，提出采用修正的D-P準(zhǔn)則描述散粒煤的本構(gòu)模型，在車體與散粒煤之間設(shè)置面-面接觸對，對車體靜態(tài)壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬，將結(jié)果與傳統(tǒng)計算結(jié)果進(jìn)行對比，全面分析了散粒煤對車體端、側(cè)墻的位移、應(yīng)力和側(cè)壓力響應(yīng)的立體化分布情況。
　　(4)對車

6、體進(jìn)行了模態(tài)分析，提取了各階模態(tài)的固有頻率和振型?；诖?，采用結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力學(xué)有限元方法對浮沉和縱向動態(tài)載荷下車體疲勞關(guān)鍵測點(diǎn)的動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并計算得到動態(tài)載荷-應(yīng)力傳遞關(guān)系以及動態(tài)載荷作用下車體的大應(yīng)力部位。通過對比靜態(tài)載荷-應(yīng)力傳遞系數(shù)和動態(tài)載荷-應(yīng)力傳遞系數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩者之間在不同載荷類型作用下存在一定差異，動態(tài)載荷響應(yīng)更大。采用車體和散粒煤的剛?cè)峤佑|組合模型，利用顯式直接積分法仿真分析了縱向沖擊下車體結(jié)構(gòu)的動強(qiáng)度，得到了車

7、體的動力響應(yīng)，解決了沖擊過程中考慮散粒貨物流動性時端墻動壓力的問題。
　　(5)基于實(shí)測的應(yīng)力譜，根據(jù)AAR標(biāo)準(zhǔn)評價方法、BS EN標(biāo)準(zhǔn)評價方法和實(shí)測S-N曲線的名義應(yīng)力評價方法，結(jié)合Miner疲勞累積損傷法則，分別計算了車體疲勞關(guān)鍵測點(diǎn)的應(yīng)力譜損傷。根據(jù)實(shí)測的載荷譜，利用靜態(tài)載荷傳遞關(guān)系和動態(tài)載荷傳遞關(guān)系分別計算了車體載荷譜損傷，將兩種計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。基于損傷一致性準(zhǔn)則，利用多測點(diǎn)優(yōu)化算法對線路實(shí)測的車體載荷譜進(jìn)行校驗(yàn)修