鐵路貨車車體載荷譜測試及疲勞強度評價研究.pdf

1、隨著鐵路貨車運輸?shù)奶崴俸椭剌d化技術的發(fā)展，車輛結(jié)構的疲勞可靠性問題變得日益突出。貨車結(jié)構的疲勞強度問題是制約貨車裝備技術提升的關鍵因素，尤其作為貨物運輸承載部件的車體，在顯著低于設計壽命時過早地發(fā)生疲勞裂損，將使貨車的維修費用居高不下，并嚴重危及行車安全。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、合理地進行貨車疲勞強度設計和評價，并為合理安排維修周期提供理論支持。
　　

2、目前，貨車車體的疲勞強度評價所采用的載荷譜主要是美國AAR標準載荷譜，且結(jié)合靜態(tài)有限元仿真的方法，用疲勞損傷或等效應力評價車體疲勞強度。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標準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及應用研究”支持下，以70噸級通用敞車為研究對象，進行

3、了國內(nèi)典型通用線路車體載荷譜實測試驗，編制了有效的車體載荷譜，研究了車體動態(tài)載荷響應下的疲勞強度評價方法，并對車體線路模擬臺架試驗疲勞評價方法進行了探究。主要研究如下:
　　(1)根據(jù)實際運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)學表達式，并對試驗得到的S-N曲線進行了適當?shù)难油?。同時研究了美國AAR標準和歐洲BSEN標準中的焊接結(jié)構設計中的疲勞性能參數(shù)。<

4、br>　　(2)線路實測了C70E型敞車在三條典型通用線路上的車體載荷及響應信號數(shù)據(jù)，對信號數(shù)據(jù)進行處理，得到了有效的信號時間歷程。利用載荷識別運算方法將信號時間歷程轉(zhuǎn)化為分載荷時間歷程，進而通過雨流計數(shù)法編制了車體載荷譜以及應力譜。運用概率統(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測最值譜與AAR標準載荷最值

5、譜進行了比較。
　　(3)通過建立車體整車有限元模型，對車體進行了分載荷靜態(tài)有限元計算，分析得到車體大應力部位，并研究了各分載荷作用下的載荷-應力傳遞關系。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準則描述散粒煤的本構模型，在車體與散粒煤之間設置面-面接觸對，對車體靜態(tài)壓力進行了數(shù)值模擬，將結(jié)果與傳統(tǒng)計算結(jié)果進行對比，全面分析了散粒煤對車體端、側(cè)墻的位移、應力和側(cè)壓力響應的立體化分布情況。
　　(4)對車

6、體進行了模態(tài)分析，提取了各階模態(tài)的固有頻率和振型。基于此，采用結(jié)構瞬態(tài)動力學有限元方法對浮沉和縱向動態(tài)載荷下車體疲勞關鍵測點的動態(tài)應力響應進行數(shù)值模擬，并計算得到動態(tài)載荷-應力傳遞關系以及動態(tài)載荷作用下車體的大應力部位。通過對比靜態(tài)載荷-應力傳遞系數(shù)和動態(tài)載荷-應力傳遞系數(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)構的動強度，得到了車

7、體的動力響應，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)基于實測的應力譜，根據(jù)AAR標準評價方法、BS EN標準評價方法和實測S-N曲線的名義應力評價方法，結(jié)合Miner疲勞累積損傷法則，分別計算了車體疲勞關鍵測點的應力譜損傷。根據(jù)實測的載荷譜，利用靜態(tài)載荷傳遞關系和動態(tài)載荷傳遞關系分別計算了車體載荷譜損傷，將兩種計算結(jié)果進行了對比分析。基于損傷一致性準則，利用多測點優(yōu)化算法對線路實測的車體載荷譜進行校驗修