基于多體動力學(xué)和有限元法的機車車體結(jié)構(gòu)疲勞仿真研究.pdf

1、目前，國內(nèi)外對機車車輛車體結(jié)構(gòu)在動載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強度和動應(yīng)力分析方法涉及相對很少，主要原因是由于車體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜和現(xiàn)場結(jié)構(gòu)耐久性試驗費用昂貴。而如果僅通過施加常幅設(shè)計載荷譜將靜強度分析結(jié)果直接應(yīng)用在車體結(jié)構(gòu)的疲勞強度評估，雖然方法簡單，但會產(chǎn)生嚴重問題，因為實際服役的機車車體結(jié)構(gòu)承受的主要是隨機的動載荷。隨著列車運營速度的不斷提高，現(xiàn)代機車車輛工業(yè)主要發(fā)展趨勢就是生產(chǎn)安全、可靠、輕量化的車體結(jié)構(gòu)，因此機車車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命仿真研究成為

2、一項迫切的任務(wù)和研究課題。本文基于相關(guān)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)疲勞研究成果，吸取文獻中最新算法，提出一種利用多體動力學(xué)仿真和有限元分析相結(jié)合的方法對車體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命仿真，并對其展開較為系統(tǒng)的研究。 論文研究范圍主要集中在機車的多體動力學(xué)仿真、車體結(jié)構(gòu)有限元分析和結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測上。具體研究過程基本包括：使用時頻復(fù)現(xiàn)技術(shù)獲得多體動力學(xué)仿真的軌道隨機時域激勵；利用SIMPACK對機車整車系統(tǒng)進行剛?cè)狍w混合建模與仿真(分別考慮車體為剛性和柔性)；利

3、用ANSYS計算車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算(包括模態(tài)分析，子結(jié)構(gòu)分析等)；結(jié)合材料S-N曲線和疲勞損傷累積理論進行疲勞壽命預(yù)測。 機車整車系統(tǒng)多體動力學(xué)分析的重要前提之一，就是如何利用軌道空間譜轉(zhuǎn)化為時域的軌道激勵，以及準確描述機車系統(tǒng)的軌道隨機激勵的主要特征，使得功率譜轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的軌道激勵時域信號的頻率、相位和幅值特征不丟失。論文中參照James Andrew地形PSD技術(shù)，提出一種軌道譜時頻轉(zhuǎn)換的簡單方法，即通過構(gòu)建軌道譜的時頻轉(zhuǎn)換算

4、法，解決了常規(guī)方法轉(zhuǎn)換過程譜特征信息丟失的問題，為機車系統(tǒng)動力學(xué)準確仿真提供重要支持。 通過多體動力學(xué)軟件SIMPACK對機車整車進行系統(tǒng)動力學(xué)仿真，可以更加深入研究機車車體結(jié)構(gòu)抗疲勞特性，進而了解車體結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和結(jié)構(gòu)疲勞普遍影響規(guī)律。通過對機車懸掛動力學(xué)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以改進車體結(jié)構(gòu)的抗疲勞特性。論文中設(shè)計了典型的機車運行工況并分別對其進行多體動力學(xué)仿真，包括勻速運行、曲線通過和牽引等。特別是計算了車體結(jié)構(gòu)在典型動力學(xué)仿

5、真工況作用下的35個載荷歷程，包括力、速度、加速度和角速度等。同時為了考慮車體結(jié)構(gòu)的柔性影響，利用多體動力學(xué)和有限元的接口程序FEMBS產(chǎn)生多體仿真需要的柔性體數(shù)據(jù)文件。車體結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)，通常可以表示為應(yīng)力/應(yīng)變歷程，也是車體結(jié)構(gòu)疲勞分析的重要前提。論文討論了幾種時域和頻域內(nèi)預(yù)測結(jié)構(gòu)動應(yīng)力分析方法，重點提出了多體動力學(xué)和有限元法預(yù)測車體結(jié)構(gòu)動應(yīng)力的思路和方法。即利用準靜態(tài)應(yīng)力分析方法對車體結(jié)構(gòu)進行動應(yīng)力計算。具體方法是利用ANSYS對車

6、體結(jié)構(gòu)進行有限元建模和分析計算，獲得車體結(jié)構(gòu)在35個載荷工況下的應(yīng)力影響因子。并將其和多體仿真的載荷歷程相互相乘疊加求和計算，最終獲得車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力時間歷程。同時利用有限元分析分別計算了模態(tài)分析結(jié)果和子結(jié)構(gòu)特征。 最后，利用雨流矩陣和Markov鏈理論以及MATLAB的WAFO技術(shù)，結(jié)合材料的S-N曲線和結(jié)構(gòu)應(yīng)力歷程，以及Palmgren-Miner損傷累積理論預(yù)測車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命。利用FE-FATIGuE對車體結(jié)構(gòu)采用基于應(yīng)力的