铁路重载通用敞车车体疲劳强度评估及结构优化研究
发布时间：2020-12-10 11:06
随着我国铁路重载运输的不断发展,铁路货车在运用过程中出现的结构疲劳强度问题日益突出。目前我国各型铁路通用敞车数量共计约为43.6万辆,占铁路货车总保有量46%以上。受集载工况与运营条件的限制,各型铁路通用敞车车体具有局部结构不对称的特点,导致车体局部结构产生不同程度的刚度突变。在运用过程中,部分车体上刚度突变部位的焊缝连接处出现了疲劳裂纹,且其寿命远低于车体的设计寿命。因此,有必要对铁路通用敞车车体的疲劳强度与结构优化设计进行深入研究,确立较为合理的车体疲劳强度评价方法与结构优化设计方法,为车体抗疲劳设计提供理论支持,从设计源头,提高通用敞车车体疲劳可靠性,降低检修成本。目前,我国铁路货车车体疲劳强度评价采用的载荷谱主要参照美国AAR标准载荷谱与大秦线实测载荷谱,焊接接头的疲劳性能参数主要参照AAR标准、英国BS标准、国际焊接学会IIW标准,但采用传统方法对C80E型敞车车体疲劳强度评估的仿真结果与实际运用情况相差较大。基于此,本文在中国铁路总公司科技研究开发计划项目“27t轴重通用货车关键技术研究”支持下,以C80E型通用敞车车体为研究对象,对车体上典型焊接接头的样件进行了疲劳试验,...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题背景与工程意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 结构疲劳研究现状
1.2.2 车体疲劳强度评价研究现状
1.2.3 车体结构优化设计研究现状
1.3 本文主要研究内容
1.4 本文技术路线
2 车体用主型钢焊接接头疲劳性能研究
2.1 基于小子样的P-S-N曲线拟合方法研究
2.1.1 S-N曲线数学表达式及基本假设
2.1.2 疲劳寿命等效原理
2.1.3 样本信息重构方法
2.1.4 基于小子样的P-S-N曲线拟合方法
2.1.5 P-S-N曲线延拓方法
2.2 车体用主型钢焊接接头疲劳试验
2.2.1 车体用主型钢材料化学成分与力学性能
2.2.2 疲劳试验
2.2.3 疲劳试验结果分析
2.3 典型焊接接头的P-S-N曲线拟合及延拓
2.3.1 T型接头的P-S-N曲线拟合及延拓
2.3.2 搭接接头的P-S-N曲线拟合及延拓
2.4 本章小结
3 车体关键焊缝应力分布及其与结构的相关性研究
3.1 基于均方差加权应力修匀方法
3.1.1 单元的最佳应力点
3.1.2 单元应力修匀方法
3.1.3 加权应力修匀方法
3.1.4 基于均方差加权的应力修匀方法
3.2 C80E车体结构及性能参数
3.2.1 C80E型敞车用途及车体结构特点
3.2.2 车体关键焊缝定义
3.2.3 主要性能参数及材料特性
3.3 车体有限元模型及加载方式
3.3.1 车体有限元模型
3.3.2 载荷及加载方式
3.4 关键焊缝应力分布分析
3.4.1 大横梁焊缝应力分布
3.4.2 枕梁焊缝应力分布
3.5 局部不对称结构与关键焊缝应力相关性研究
3.5.1 两条大横梁焊缝应力分布曲线在各模型中的定义
3.5.2 车体局部模型选取
3.5.3 大横梁焊缝应力分布簇研究
3.5.4 大横梁焊缝关键部位应力研究
3.5.5 基于皮尔逊相关系数的相关性分析
3.5.6 基于复相关系数的相关性分析
3.6 本章小结
4 车体结构优化设计方法研究
4.1 结构优化设计的数学模型与寻优方法
4.1.1 结构优化设计的数学模型
4.1.2 结构优化设计的寻优方法
4.2 MPSO-BP优化算法
4.2.1 BP神经网络
4.2.2 MPSO优化算法
4.2.3 MPSO-BP优化算法
4.2.4 MPSO-BP优化算法性能测试
4.3 车体结构设计策略及优化方法研究
4.3.1 车体结构设计策略优化
4.3.2 车体结构优化设计方法
4.4 C80E型通用敞车车体结构优化
4.4.1 车体结构布局优化
4.4.2 内补强座结构优化
4.4.3 大横梁结构优化
4.5 本章小结
5 基于结构刚度突变应力梯度方法的车体疲劳强度评价
5.1 车体疲劳强度评价基本理论及方法
5.1.1 名义应力评定方法
5.1.2 疲劳累积损伤理论
5.1.3 车体疲劳评估方法
5.2 基于结构刚度突变的应力梯度方法
5.2.1 结构刚度突变应力梯度路径的定义
5.2.2 结构刚度突变的应力梯度方法
5.3 C80E车体裂纹统计分析
5.3.1 大横梁焊缝裂纹统计
5.3.2 车体裂纹概率分析
5.4 基于实测应力谱的车体疲劳强度评估
5.4.1 测试方案
5.4.2 测点布置
5.4.3 数据信号处理
5.4.4 动应力测试结果分析
5.5 车体疲劳强度评价
5.5.1 基于载荷谱的疲劳强度评价方法
5.5.2 疲劳损伤分析
5.6 载荷谱损伤一致性校准研究
5.6.1 载荷谱损伤一致性准则
5.6.2 载荷谱损伤一致性校验
5.6.3 载荷谱损伤一致性校准方法
5.6.4 结果分析
5.7 车体疲劳寿命评估
5.8 本章小结
6 车体关键部位应力强度因子与疲劳裂纹扩展速率研究
6.1 线弹性断裂力学基本理论
6.1.1 裂纹扩展类型
6.1.2 裂纹尖端区域的应力场和位移场
6.1.3 应力强度因子
6.1.4 基于能量法的应力强度因子有限元求解
6.2 车体裂纹应力强度因子研究
6.2.1 车体简化有限元模型的建立
6.2.2 计算结果分析
6.3 车体裂纹扩展速率研究
6.3.1 复合型裂纹的扩展准则
6.3.2 复合型疲劳裂纹扩展速率模型
6.3.3 有限元仿真分析
6.4 本章小结
7 结论与展望
7.1 论文的主要结论
7.2 论文的主要创新点
7.3 研究工作展望
参考文献
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于正交设计与GA-BP算法的铁路货车车体结构优化[J]. 刘文飞,刘志明,胡伟钢,张良,田迎利. 铁道学报. 2019(05)
[2]基于均方差应力修匀的大横梁焊缝疲劳损伤评估[J]. 刘文飞,刘志明,许昶,祁晨宇. 哈尔滨工程大学学报. 2019(05)
[3]C80E车体局部不对称结构与关键焊缝应力分布相关性研究[J]. 刘文飞,刘志明,林莉,薛利. 北京交通大学学报. 2018(06)
[4]基于样本信息重构的小子样P-S-N曲线拟合方法[J]. 刘文飞,刘志明,薛海,贾裕祥. 铁道学报. 2018(07)
[5]高速列车车体的灵敏度分析及轻量化设计[J]. 高月华,石晓飞,谢素明,杜礼明. 铁道科学与工程学报. 2017(05)
[6]城轨列车转向架铝合金焊接枕梁的抗疲劳设计[J]. 刘志明,张冉,连青林. 北京交通大学学报. 2017(01)
[7]一种考虑应力梯度的疲劳寿命预测方法[J]. 申杰斌,唐东林. 中国机械工程. 2017(01)
[8]基于轻量化及刚度的铝合金车体承载结构参数选择研究[J]. 贺小龙,张立民,鲁连涛,邱飞力,田爱琴. 铁道学报. 2016(11)
[9]焊接结构的疲劳评定方法[J]. 张彦华,刘娟,杜子瑞,陶博浩. 航空制造技术. 2016(11)
[10]基于相互作用积分法的应力强度因子计算[J]. 宫经全,张少钦,李禾,张宸宇. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2015(01)
博士论文
[1]铁路货车车体疲劳试验方法及关键技术研究[D]. 于跃斌.北京交通大学 2018
[2]基于实测载荷谱的重载货车车钩疲劳可靠性研究[D]. 薛海.北京交通大学 2017
[3]基于疲劳损伤累积理论的结构寿命预测与时变可靠性分析方法研究[D]. 彭兆春.电子科技大学 2017
[4]城际动车组转向架构架载荷谱研究[D]. 邹骅.北京交通大学 2016
[5]高速列车转向架构架结构损伤一致性载荷谱理论研究[D]. 朱宁.北京交通大学 2016
[6]基于混合智能算法的结构可靠性分析与优化设计[D]. 郑灿赫.吉林大学 2015
[7]铁路货车车体载荷谱测试及疲劳强度评价研究[D]. 赵方伟.北京交通大学 2015
[8]高速列车外形多学科设计优化关键技术研究[D]. 赵怀瑞.北京交通大学 2012
[9]铁路重载货车结构分析方法研究[D]. 姚曙光.中南大学 2010
[10]基于相关性的框架节点半刚性分析方法研究[D]. 潘建荣.汕头大学 2009
硕士论文
[1]铁道车辆转向架构架疲劳寿命及损伤容限评价[D]. 段浩.西南交通大学 2018
[2]高速动车组车体铝合金横梁疲劳裂纹扩展研究[D]. 韦青山.北京交通大学 2018
[3]基于改进粒子群算法的动车组车体结构优化设计研究[D]. 刘汉文.北京交通大学 2017
[4]C80货车车体损伤容限研究[D]. 蔡世超.北京交通大学 2016
[5]C80E型通用敞车车体大横梁焊缝裂纹研究[D]. 雷恩强.北京交通大学 2016
[6]基于线路试验的C80车体结构载荷谱与动应力响应分析[D]. 赵一娇.北京交通大学 2015
[7]基于扩展有限元法的复合（Ⅰ-Ⅱ）加载条件下CTS疲劳裂纹扩展行为研究[D]. 贺红凯.南昌大学 2014
[8]重载货车车体强度可靠性研究[D]. 于建东.大连交通大学 2013
[9]铁路货车车体优化设计及焊缝疲劳寿命预测[D]. 段丽芳.大连交通大学 2010
[10]大秦线2万吨重载列车车钩纵向载荷谱的试验研究及应用[D]. 黄倩.北京交通大学 2010
本文编号：2908587
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题背景与工程意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 结构疲劳研究现状
1.2.2 车体疲劳强度评价研究现状
1.2.3 车体结构优化设计研究现状
1.3 本文主要研究内容
1.4 本文技术路线
2 车体用主型钢焊接接头疲劳性能研究
2.1 基于小子样的P-S-N曲线拟合方法研究
2.1.1 S-N曲线数学表达式及基本假设
2.1.2 疲劳寿命等效原理
2.1.3 样本信息重构方法
2.1.4 基于小子样的P-S-N曲线拟合方法
2.1.5 P-S-N曲线延拓方法
2.2 车体用主型钢焊接接头疲劳试验
2.2.1 车体用主型钢材料化学成分与力学性能
2.2.2 疲劳试验
2.2.3 疲劳试验结果分析
2.3 典型焊接接头的P-S-N曲线拟合及延拓
2.3.1 T型接头的P-S-N曲线拟合及延拓
2.3.2 搭接接头的P-S-N曲线拟合及延拓
2.4 本章小结
3 车体关键焊缝应力分布及其与结构的相关性研究
3.1 基于均方差加权应力修匀方法
3.1.1 单元的最佳应力点
3.1.2 单元应力修匀方法
3.1.3 加权应力修匀方法
3.1.4 基于均方差加权的应力修匀方法
3.2 C80E车体结构及性能参数
3.2.1 C80E型敞车用途及车体结构特点
3.2.2 车体关键焊缝定义
3.2.3 主要性能参数及材料特性
3.3 车体有限元模型及加载方式
3.3.1 车体有限元模型
3.3.2 载荷及加载方式
3.4 关键焊缝应力分布分析
3.4.1 大横梁焊缝应力分布
3.4.2 枕梁焊缝应力分布
3.5 局部不对称结构与关键焊缝应力相关性研究
3.5.1 两条大横梁焊缝应力分布曲线在各模型中的定义
3.5.2 车体局部模型选取
3.5.3 大横梁焊缝应力分布簇研究
3.5.4 大横梁焊缝关键部位应力研究
3.5.5 基于皮尔逊相关系数的相关性分析
3.5.6 基于复相关系数的相关性分析
3.6 本章小结
4 车体结构优化设计方法研究
4.1 结构优化设计的数学模型与寻优方法
4.1.1 结构优化设计的数学模型
4.1.2 结构优化设计的寻优方法
4.2 MPSO-BP优化算法
4.2.1 BP神经网络
4.2.2 MPSO优化算法
4.2.3 MPSO-BP优化算法
4.2.4 MPSO-BP优化算法性能测试
4.3 车体结构设计策略及优化方法研究
4.3.1 车体结构设计策略优化
4.3.2 车体结构优化设计方法
4.4 C80E型通用敞车车体结构优化
4.4.1 车体结构布局优化
4.4.2 内补强座结构优化
4.4.3 大横梁结构优化
4.5 本章小结
5 基于结构刚度突变应力梯度方法的车体疲劳强度评价
5.1 车体疲劳强度评价基本理论及方法
5.1.1 名义应力评定方法
5.1.2 疲劳累积损伤理论
5.1.3 车体疲劳评估方法
5.2 基于结构刚度突变的应力梯度方法
5.2.1 结构刚度突变应力梯度路径的定义
5.2.2 结构刚度突变的应力梯度方法
5.3 C80E车体裂纹统计分析
5.3.1 大横梁焊缝裂纹统计
5.3.2 车体裂纹概率分析
5.4 基于实测应力谱的车体疲劳强度评估
5.4.1 测试方案
5.4.2 测点布置
5.4.3 数据信号处理
5.4.4 动应力测试结果分析
5.5 车体疲劳强度评价
5.5.1 基于载荷谱的疲劳强度评价方法
5.5.2 疲劳损伤分析
5.6 载荷谱损伤一致性校准研究
5.6.1 载荷谱损伤一致性准则
5.6.2 载荷谱损伤一致性校验
5.6.3 载荷谱损伤一致性校准方法
5.6.4 结果分析
5.7 车体疲劳寿命评估
5.8 本章小结
6 车体关键部位应力强度因子与疲劳裂纹扩展速率研究
6.1 线弹性断裂力学基本理论
6.1.1 裂纹扩展类型
6.1.2 裂纹尖端区域的应力场和位移场
6.1.3 应力强度因子
6.1.4 基于能量法的应力强度因子有限元求解
6.2 车体裂纹应力强度因子研究
6.2.1 车体简化有限元模型的建立
6.2.2 计算结果分析
6.3 车体裂纹扩展速率研究
6.3.1 复合型裂纹的扩展准则
6.3.2 复合型疲劳裂纹扩展速率模型
6.3.3 有限元仿真分析
6.4 本章小结
7 结论与展望
7.1 论文的主要结论
7.2 论文的主要创新点
7.3 研究工作展望
参考文献
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于正交设计与GA-BP算法的铁路货车车体结构优化[J]. 刘文飞,刘志明,胡伟钢,张良,田迎利. 铁道学报. 2019(05)
[2]基于均方差应力修匀的大横梁焊缝疲劳损伤评估[J]. 刘文飞,刘志明,许昶,祁晨宇. 哈尔滨工程大学学报. 2019(05)
[3]C80E车体局部不对称结构与关键焊缝应力分布相关性研究[J]. 刘文飞,刘志明,林莉,薛利. 北京交通大学学报. 2018(06)
[4]基于样本信息重构的小子样P-S-N曲线拟合方法[J]. 刘文飞,刘志明,薛海,贾裕祥. 铁道学报. 2018(07)
[5]高速列车车体的灵敏度分析及轻量化设计[J]. 高月华,石晓飞,谢素明,杜礼明. 铁道科学与工程学报. 2017(05)
[6]城轨列车转向架铝合金焊接枕梁的抗疲劳设计[J]. 刘志明,张冉,连青林. 北京交通大学学报. 2017(01)
[7]一种考虑应力梯度的疲劳寿命预测方法[J]. 申杰斌,唐东林. 中国机械工程. 2017(01)
[8]基于轻量化及刚度的铝合金车体承载结构参数选择研究[J]. 贺小龙,张立民,鲁连涛,邱飞力,田爱琴. 铁道学报. 2016(11)
[9]焊接结构的疲劳评定方法[J]. 张彦华,刘娟,杜子瑞,陶博浩. 航空制造技术. 2016(11)
[10]基于相互作用积分法的应力强度因子计算[J]. 宫经全,张少钦,李禾,张宸宇. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2015(01)
博士论文
[1]铁路货车车体疲劳试验方法及关键技术研究[D]. 于跃斌.北京交通大学 2018
[2]基于实测载荷谱的重载货车车钩疲劳可靠性研究[D]. 薛海.北京交通大学 2017
[3]基于疲劳损伤累积理论的结构寿命预测与时变可靠性分析方法研究[D]. 彭兆春.电子科技大学 2017
[4]城际动车组转向架构架载荷谱研究[D]. 邹骅.北京交通大学 2016
[5]高速列车转向架构架结构损伤一致性载荷谱理论研究[D]. 朱宁.北京交通大学 2016
[6]基于混合智能算法的结构可靠性分析与优化设计[D]. 郑灿赫.吉林大学 2015
[7]铁路货车车体载荷谱测试及疲劳强度评价研究[D]. 赵方伟.北京交通大学 2015
[8]高速列车外形多学科设计优化关键技术研究[D]. 赵怀瑞.北京交通大学 2012
[9]铁路重载货车结构分析方法研究[D]. 姚曙光.中南大学 2010
[10]基于相关性的框架节点半刚性分析方法研究[D]. 潘建荣.汕头大学 2009
硕士论文
[1]铁道车辆转向架构架疲劳寿命及损伤容限评价[D]. 段浩.西南交通大学 2018
[2]高速动车组车体铝合金横梁疲劳裂纹扩展研究[D]. 韦青山.北京交通大学 2018
[3]基于改进粒子群算法的动车组车体结构优化设计研究[D]. 刘汉文.北京交通大学 2017
[4]C80货车车体损伤容限研究[D]. 蔡世超.北京交通大学 2016
[5]C80E型通用敞车车体大横梁焊缝裂纹研究[D]. 雷恩强.北京交通大学 2016
[6]基于线路试验的C80车体结构载荷谱与动应力响应分析[D]. 赵一娇.北京交通大学 2015
[7]基于扩展有限元法的复合（Ⅰ-Ⅱ）加载条件下CTS疲劳裂纹扩展行为研究[D]. 贺红凯.南昌大学 2014
[8]重载货车车体强度可靠性研究[D]. 于建东.大连交通大学 2013
[9]铁路货车车体优化设计及焊缝疲劳寿命预测[D]. 段丽芳.大连交通大学 2010
[10]大秦线2万吨重载列车车钩纵向载荷谱的试验研究及应用[D]. 黄倩.北京交通大学 2010
本文编号：2908587
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