高速列车车体加速寿命试验载荷谱编制及疲劳寿命预测仿真
发布时间：2021-04-02 11:09
在服役过程中,高速列车车体由轨道不平顺等各种因素造成的影响,将受到随机载荷作用,容易发生疲劳失效,对乘客安全造成威胁。为确保高速列车结构的安全性及可靠性,在结构设计阶段应对其进行疲劳试验预测寿命。由于高速列车运行速度不断地提高,导致车体承受的随机载荷呈高频、低幅值为主,使车体结构具有长寿命、高可靠性的设计要求,若使用传统的寿命试验将会花费大量的时间、资源。因此,在设计阶段采用加速寿命试验方法快速获得车体结构的疲劳薄弱位置,在此基础上定量化预测其疲劳寿命,对车体设计具有重要的工程意义和应用价值。参照FKM标准和UIC标准,结合加速寿命试验方法、车辆系统动力学仿真、有限元法、多项式拟合法、结构应力法和线性损伤理论等方法对车体加速寿命试验载荷谱进行编制,并定量化预测其疲劳寿命。首先,编制加速寿命试验载荷谱:通过动力学仿真计算车体垂向随机载荷谱,经过雨流、外推后,结合FKM标准编制了车体的八级载荷谱;基于UIC标准载荷谱编制原理,结合EN12663标准中车辆的疲劳载荷设计,将垂向载荷编制成为三级载荷谱。其次,对加速载荷谱下的车体疲劳损伤进行仿真计算:建立车体有限元模型,根据载荷谱的设计工况进行...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文技术路线示意图
西南交通大学硕士研究生学位论文第6页第2章车体加速寿命试验载荷谱编制载荷谱获取是结构进行疲劳分析的前提。通过高速列车车辆系统动力学模型，结合实测轨道谱，仿真模拟计算车体承受的垂向随机载荷谱。分别基于FKM标准及UIC标准载荷谱编制原理对随机载荷谱进行编制，获得车体的垂向八级载荷谱及三级载荷谱，为下一章的疲劳分析提供载荷数据。2.1加速寿命试验方法2.1.1加速寿命试验的定义加速寿命试验的特点是将试件置于高应力水平下，通过试验得到失效相关数据后，利用试件寿命和应力水平之间的关系，推导试件在正常应力水平下的寿命特征。基于加速寿命试验法来预测疲劳寿命的基本理论是外推高应力水平作用下的特征寿命至正常应力水平下的特征寿命，建立应力与寿命之间的联系，即加速模型。由外部原因造成试件失效的应力包括热应力（如温度）、湿应力（如湿度）、机械应力（如振动、载荷、摩擦）、电应力（如电压、功率）等[67]。利用现有的加速度模型比试验方法更容易确定加速度系数，所需样本数较少。2.1.2加速寿命试验的分类加速寿命试验进行规划时，其常用的加载类型如下[68]：图2-1加速寿命试验类型（a）恒定应力加速寿命试验（简称恒加试验）：将试件分为几组，施加某个恒定加速应力水平至各组，执行寿命试验，直至每组都失效了一定数目的试件为止。作为传统加速寿命试验的加载模式，其载荷大小便于控制、统计分析相对成熟，试验过程中无冲击载荷的产生，对试验设备性能要求较低，广泛应用于实验室的疲劳试验。然
西南交通大学硕士研究生学位论文第8页过Basquin方程计算而得，也就是结合S-N曲线对结构的疲劳寿命进行预测。因此，通过以上推导可确定本文的高速列车车体加速寿命试验是基于逆幂律模型进行仿真模拟的。2.1.4加速系数加速系数在加速模型中起到承上启下的作用，是正常应力水平下的特征寿命和加速应力水平下的特征寿命的比值，是一个重要参数，可在模型中传递数据，也可对工程实际中的可靠度进行设计等。比如，在正常应力水平0S下试件的失效分布函数为0F(t)，p,0t是p分位寿命（0,0()pFt=p）；此试件在加速应力水平iS的失效分布函数是tF)(i，p,it是p分位寿命（,()ipiFt=p），则加速系数是它们的p分位寿命之比。,00,psispitt=(2-3)其中，sis0是iS对0S在p分位寿命的加速系数。综上所述，加速系数为两个不同应力水平的特征寿命之比，其中包括一个正常应力水平0S和一个加速应力水平iS。当0S不变、iS增加时，p分位寿命p,it将会降低，从而加速系数i0ss将会增大。2.2车体随机载荷谱的计算2.2.1车辆系统动力学模型的建立车辆系统主要由轮对、枕梁、构架、车体、减振器、一系和二系悬架等组成，其是一种多自由度的非线性振动系统[69]。本文中，采用动力学仿真软件建立车辆系统动力学模型，该模型将轮对、枕梁、构架和车体视为刚体，轴弹簧、空气弹簧、抗蛇行减振器和横向/纵向振动吸收器被视为力元。综合考虑动力学相关参数，构建的车辆系统动力学模型，如图2-2。图2-2车辆系统动力学模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]航天继电器步退加速寿命试验温度应力周期的确定方法[J]. 李文华,郑杭,陈君,李爽,胡琦. 航天控制. 2018(05)
[2]Inference and optimal design on step-stress partially accelerated life test for hybrid system with masked data[J]. SHI Xiaolin,LU Pu,SHI Yimin. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(05)
[3]风电齿轮箱加速疲劳寿命试验验证[J]. 曾雨田,李金库. 机械工程师. 2018(09)
[4]柴油机高压油管加速载荷谱编辑研究[J]. 周帅,任燕平,刘冰,李伟东,何文运. 噪声与振动控制. 2018(04)
[5]高速列车车体加速寿命试验载荷谱编制及分析[J]. 卢耀辉,张醒,张舒翔,曾京,党林媛. 机械工程学报. 2017(24)
[6]加速寿命试验原理及应用[J]. 黄遂. 工程机械. 2017(03)
[7]高速列车转向架构架动应力计算与疲劳全寿命预测[J]. 卢耀辉,向鹏霖,曾京,陈天利. 交通运输工程学报. 2017(01)
[8]竞争失效产品部分加速寿命试验的统计分析[J]. 师义民,师小琳. 西北工业大学学报. 2017(01)
[9]动车组转向架载荷谱编制及其特性分析[J]. 张冉,赵子豪,张旭. 现代商贸工业. 2017(04)
[10]变刚度钢板弹簧加速寿命试验程序载荷谱编制[J]. 韩为铎,卢剑伟,龙道江. 中国机械工程. 2017(02)
博士论文
[1]铁道客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究[D]. 卢耀辉.西南交通大学 2011
硕士论文
[1]随机载荷作用下的高速列车车体振动疲劳分析方法研究[D]. 张醒.西南交通大学 2018
[2]动车零部件寿命预测与全寿命周期研究[D]. 高雅璐.兰州交通大学 2014
本文编号：3115167
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文技术路线示意图
西南交通大学硕士研究生学位论文第6页第2章车体加速寿命试验载荷谱编制载荷谱获取是结构进行疲劳分析的前提。通过高速列车车辆系统动力学模型，结合实测轨道谱，仿真模拟计算车体承受的垂向随机载荷谱。分别基于FKM标准及UIC标准载荷谱编制原理对随机载荷谱进行编制，获得车体的垂向八级载荷谱及三级载荷谱，为下一章的疲劳分析提供载荷数据。2.1加速寿命试验方法2.1.1加速寿命试验的定义加速寿命试验的特点是将试件置于高应力水平下，通过试验得到失效相关数据后，利用试件寿命和应力水平之间的关系，推导试件在正常应力水平下的寿命特征。基于加速寿命试验法来预测疲劳寿命的基本理论是外推高应力水平作用下的特征寿命至正常应力水平下的特征寿命，建立应力与寿命之间的联系，即加速模型。由外部原因造成试件失效的应力包括热应力（如温度）、湿应力（如湿度）、机械应力（如振动、载荷、摩擦）、电应力（如电压、功率）等[67]。利用现有的加速度模型比试验方法更容易确定加速度系数，所需样本数较少。2.1.2加速寿命试验的分类加速寿命试验进行规划时，其常用的加载类型如下[68]：图2-1加速寿命试验类型（a）恒定应力加速寿命试验（简称恒加试验）：将试件分为几组，施加某个恒定加速应力水平至各组，执行寿命试验，直至每组都失效了一定数目的试件为止。作为传统加速寿命试验的加载模式，其载荷大小便于控制、统计分析相对成熟，试验过程中无冲击载荷的产生，对试验设备性能要求较低，广泛应用于实验室的疲劳试验。然
西南交通大学硕士研究生学位论文第8页过Basquin方程计算而得，也就是结合S-N曲线对结构的疲劳寿命进行预测。因此，通过以上推导可确定本文的高速列车车体加速寿命试验是基于逆幂律模型进行仿真模拟的。2.1.4加速系数加速系数在加速模型中起到承上启下的作用，是正常应力水平下的特征寿命和加速应力水平下的特征寿命的比值，是一个重要参数，可在模型中传递数据，也可对工程实际中的可靠度进行设计等。比如，在正常应力水平0S下试件的失效分布函数为0F(t)，p,0t是p分位寿命（0,0()pFt=p）；此试件在加速应力水平iS的失效分布函数是tF)(i，p,it是p分位寿命（,()ipiFt=p），则加速系数是它们的p分位寿命之比。,00,psispitt=(2-3)其中，sis0是iS对0S在p分位寿命的加速系数。综上所述，加速系数为两个不同应力水平的特征寿命之比，其中包括一个正常应力水平0S和一个加速应力水平iS。当0S不变、iS增加时，p分位寿命p,it将会降低，从而加速系数i0ss将会增大。2.2车体随机载荷谱的计算2.2.1车辆系统动力学模型的建立车辆系统主要由轮对、枕梁、构架、车体、减振器、一系和二系悬架等组成，其是一种多自由度的非线性振动系统[69]。本文中，采用动力学仿真软件建立车辆系统动力学模型，该模型将轮对、枕梁、构架和车体视为刚体，轴弹簧、空气弹簧、抗蛇行减振器和横向/纵向振动吸收器被视为力元。综合考虑动力学相关参数，构建的车辆系统动力学模型，如图2-2。图2-2车辆系统动力学模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]航天继电器步退加速寿命试验温度应力周期的确定方法[J]. 李文华,郑杭,陈君,李爽,胡琦. 航天控制. 2018(05)
[2]Inference and optimal design on step-stress partially accelerated life test for hybrid system with masked data[J]. SHI Xiaolin,LU Pu,SHI Yimin. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(05)
[3]风电齿轮箱加速疲劳寿命试验验证[J]. 曾雨田,李金库. 机械工程师. 2018(09)
[4]柴油机高压油管加速载荷谱编辑研究[J]. 周帅,任燕平,刘冰,李伟东,何文运. 噪声与振动控制. 2018(04)
[5]高速列车车体加速寿命试验载荷谱编制及分析[J]. 卢耀辉,张醒,张舒翔,曾京,党林媛. 机械工程学报. 2017(24)
[6]加速寿命试验原理及应用[J]. 黄遂. 工程机械. 2017(03)
[7]高速列车转向架构架动应力计算与疲劳全寿命预测[J]. 卢耀辉,向鹏霖,曾京,陈天利. 交通运输工程学报. 2017(01)
[8]竞争失效产品部分加速寿命试验的统计分析[J]. 师义民,师小琳. 西北工业大学学报. 2017(01)
[9]动车组转向架载荷谱编制及其特性分析[J]. 张冉,赵子豪,张旭. 现代商贸工业. 2017(04)
[10]变刚度钢板弹簧加速寿命试验程序载荷谱编制[J]. 韩为铎,卢剑伟,龙道江. 中国机械工程. 2017(02)
博士论文
[1]铁道客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究[D]. 卢耀辉.西南交通大学 2011
硕士论文
[1]随机载荷作用下的高速列车车体振动疲劳分析方法研究[D]. 张醒.西南交通大学 2018
[2]动车零部件寿命预测与全寿命周期研究[D]. 高雅璐.兰州交通大学 2014
本文编号：3115167
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