（载运工具运用工程专业论文）dbc+9600kw交流传动电力机车车体强度及疲劳寿命综合评价.pdf

摘要 摘要 近2 0 年来，尽管我国铁路处于高速发展时期，但是铁路运力仍然远远不能满足我 国社会经济发展的需求。为进一步加快我国铁路建设的发展速度，目前我国已经进入一 个高速、重载铁路大发展的关键时期。 车体结构是电力机车的重要承载部件，在高速与重载机车车辆的设计制造中，车体 的结构强度分析与疲劳寿命评价是不可缺少的重要工作。在我国铁路既有车辆的改造和 新型车辆的研发中，疲劳断裂的事故仍然不断发生。这说明机车车辆疲劳可靠性分析方 法本身与实际有很大的差距，因此对于高速重载机车车辆疲劳可靠性评价方法的研究及 其疲劳评价是一项迫切的重要研究课题。 本文首先借鉴国内外车体结构技术标准及重载电力机车的设计要求，提出更为符合 实际情况的机车车体强度分析的工况条件，并使用有限元法进行刚度、强度分析及结构 合理性的评价；其次，根据计算结果和潜在的问题，对车体结构提出具体的改进建议。 对于机车车体疲劳强度与可靠性评价，首先考虑静强度工况下和欧标e n l 2 6 6 3 疲 劳载荷条件下的应力较大部位的应力幅，分析确定可能发生疲劳破坏的危险部位；然后 针对应力幅较大的危险部位，进一步分析其几何结构细节和焊接接头型式等焊接结构与 工艺特点，从而分析判断其疲劳破坏的可能性。对于研究发现的危险部位，提出合理的 改善措施。 结构强度分析结果表明，车体结构存在工作应力过大的不合理部位；而所提出的结 构改进方案，既满足了车体结构强度和刚度的要求，同时又有效地减轻了车体的自重。 针对可能发生疲劳破坏的危险部位的研究发现，确实存在发生疲劳断裂危险性很高的部 位，并提出了相应的防治措施。研究结果不仅对d b c9 6 0 0 k w 交流传动电力机车的设计 制造提供重要的依据，同时对于机车车辆的疲劳寿命评价方法的研究也具有重要的理论 指导意义。 关键词：有限元法；电力机车；车体强度；疲劳寿命 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t o v e rt h ep a s t2 0y e a r s ，a l t h o u g ht h e r eh a sb e e ng r e a td e v e l o p m e n ti nt h er a i l w a yi no u r c o u n t r y ，t h ec a p a c i t yo fr a i l w a yi ss t i l lf a rf r o mm e e t i n gt h en e e d 谢t l lt h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n de c o n o m y i no r d e rt oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n ts p e e do fr a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，i t h a se n t e r e dap e r i o do fg r e a td e v e l o p m e n t 谢t l ll l i g h s p e e da n dh e a v yh a di no u rc o u n t r y b o d ys t r u c t u r ei sa ni m p o r t a n tl o a d b e a r i n gc o m p o n e n to fe l e c t r i cl o c o m o t i v e i ti sa l l i m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l ew o r kt oa n a l y z es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n da s s e s sf a t i g u el i f eo fc a r b o d yi nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fh i g h s p e e da n dh e a v yh a u lv e h i c l e s t h ea c c i d e n t so f f a t i g u ef r a c t u r es t i l lo c c u ri nt h et r a n s f o r m a t i o no fv e h i c l e sa n dn e wt y p e so fv e h i c l e s ，w h i c h s h o w st h a tt h ea n a l y s i sm e t h o do ff a t i g u er e l i a b i l i t yo fr o l l i n gm o c k sh a saw i d eg a pb e t w e e n a c t u a l t h e r e f o r e ，i ti sa nu r g e n ta n di m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ct os t u d yt h ee v a l u a t i o nm e t h o d o ff a t i g u er e l i a b i l i t yf o rh i g h - s p e e da n dh e a v yh a u lr o l l i n gm o c k sa n di t sf a t i g u ea s s e s s m e n t l o a dc a s e sw h i c ha r e t a l l yw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o nf o rt h es t r e n g t ha n a l y s i so f l o c o m o t i v eb o d ya r ep u tf o r w a r do nt h eb a s i so ft h er e f e r e n c eo ft h et e c h n i c a ls t a n d a r d sa t h o m ea n da b r o a da n dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to fh e a v yh a u le l e c t r i cl o c o m o t i v e t h es t i f f n e s s a n ds t r e n g t ha r ea n a l y z e da n dt h es t r u c t u r a lr a t i o n a l i t yi se v a l u a t e db yf e m t h e n , t h e s u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n ta r ep u tf o r w a r df o rc a rb o d ys t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h er e s u l t s a n dp o t e n t i a lp r o b l e m s f o rt h ee v a l u a t i o no ff a t i g u es t r e n g t ha n dr e l i a b i l i t y ，t h ed a n g e r o u sp o s i t i o nw h i c hm a y o c c u rf a t i g u ed a m a g ei sd e t e r m i n e do nt h eb a s i so fs t r e s sa m p l i t u d ec o n s i d e r e db yg r e a t e r s t r e s sp o s i t i o nu n d e rs t a t i cs t r e n g t ha n dt h ef a t i g u el o a do fe u r o p e a ns t a n d a r de n l2 6 6 3 t h e n m a k ef u r t h e ra n a l y s i so nd e t a i l so fi t sg e o m e t r y ，w e l d e dj o i n t st y p ea n dp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s o nt h e b a s i so ft h ed a n g e r o u sp o s i t i o nw h i c hm a yo c c u rf a t i g u ed a m a g e ，a n dj u d g et h e p o s s i b i l i t yo ff a t i g u ed a m a g e t h er e a s o n a b l ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r df o rt h e d a n g e r o u sp o s i t i o nf o u n db yr e s e a r c h t h er e s u l t so fs t r u c t u r a la n a l y s i ss h o w st h a tt h e r eh a su n r e a s o n a b l es i t e sf o r t h eo v e r l o a d o fb o d ys t r u c t u r e ，a n dt h er e s u l t sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fs t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fb o d y s t r u c t u r ea n dr e d u c et h ed e a d w e i g h te f f e c t i v e l yo nt h eb a s i so ft h es c h e m eo fs t r u c t u r a l i m p r o v e m e n t t h e r eh a sp o s i t i o n sw h i c ha r ei n d e e dah i g hr i s ko ff a t i g u ef r a c t u r ea c c o r d i n g t ot h es t u d yo fd a n g e r o u sp o s i t i o n sm a yc a u s ef a t i g u ed a m a g e ，a n ds o m ec o r r e s p o n d i n g p r e v e n t i n gm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d t h er e s u l tn o to n l yp r o v i d e si m p o r t a n tb a s i sf o rt h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fd b c9 6 0 0 k wa cd r i v ee l e c t r i cl o c o m o t i v e ，b u ta l s oh a sa n i m p o r t a n tt h e o r e t i c a lr o l ef o rt h er e s e a r c ho ff a t i g u el i f ee v a l u a t i o nm e t h o do fr o l l i n gs t o c k s k e yw o r d s ：f e m ；e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；c a rb o d ys t r e n g t h ；f a t i g u el i f e 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蔓塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蔓交通太堂j 学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、。缩印或扫描等复制手段保存：汇编学位论 h ：文t 。 t 锞密的学位论文在解密后应遵守此规定 ， 学位论文作者签名妻霉每 日赣j 力帆劈辱苫。通。寥e 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得盘羹交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担二切相关责任。 学位论文作者签名： 知氢受 日期： ) p o - 莎# - 。匀岁日 第章绪论 第一章绪论 1 。1 引言 铁路运输是支持国家经济和社会发展的重要基础，对国民经济起着非常重要的作 用。随着我国铁路的快速发展，对铁路运输市场的需求持续大幅度增长，铁路发展滞后 的问题十分突出，铁路运输生产力不适应经济社会发展要求的矛盾日益尖锐。 近年来，尽管铁路在挖掘潜力、扩充运能方面做了艰苦努力，实现了客货运量的大 幅度增长，但这一增长幅度与全社会运输需求的增长相比，从总体上看仍然是滞后的。 全国铁路货运满足率几年来一直在3 5 左右i l 】，几大繁忙干线长期超负荷运输。铁路客 运能力严重不足，春节等客运高峰期，客运能力更是高度紧张。因此，铁路运输能力的 严重不足，已经成为我国经济社会发展中的一个“瓶颈。为此，铁道部于2 0 0 3 年初 明确提出铁路必须实现跨越式发展的新构想，制定了中国铁路的中长期铁路网规划 和“加快铁路机车车辆装备现代化实施纲要，为今后铁路的发展指明了方向。其中在 “加快铁路机车车辆装备现代化实施纲要讲到，未来国家将投资2 万亿元以上用于铁 路及铁路运输装备的建设，其中2 0 0 3 年到2 0 0 7 年，铁道部用于购买快捷、重载货运机 车的资金约为3 0 0 亿元。因此，未来铁路货运市场主要需求将是快捷、重载，运行速度 超过1 2 0 k m h 的内燃机车和电力机车 2 1 。 1 1 1 重载运输的发展状况 世界铁路重载运输起步于2 0 世纪5 0 年代，伴随着牵引动力的现代化改造新型大功 率电力机车和内燃机车逐步取代蒸汽机车，开启了世界铁路重载运输的新纪元。5 0 多年 来，重载运输在美国、加拿大、俄罗斯、澳大利亚等一些幅员广阔、矿产资源丰富的国 家迅速发展，成为世界铁路发展的一个重要趋势。世界铁路重载运输是以美国为代表， 逐步发展起来的。历经2 0 世纪中期的起步阶段、2 0 世纪后期的发展阶段和到目前的全 面提高阶段。进入2 1 世纪以来，世界铁路重载技术突飞猛进，牵引动力采用大功率交 流传动机车，轴重3 0 吨以上的、低自重、低动力作用大型货车，以及机车同步操纵等 机车车辆技术装备的研制成功和推广应用，进一步推动了世界重载运输的发展【3 棚。 我国铁路从2 0 世纪8 0 年代中期开始发展重载运输，已取得了重大成绩。大秦铁路 大量开行了万吨级重载列车，在2 0 0 2 年运量达到l 亿吨设计能力的基础上，2 0 0 5 年达 到了2 0 3 亿吨【5 1 ，为设计能力的2 倍，截止到2 0 0 7 年，已经达到了3 亿吨运量【6 】，创 造了世界铁路重载运输的奇迹。京哈、京沪、京广、京九、陇海及浙赣六大干线普遍开 大连交通大学工学硕士学位论文 行了5 0 0 0 吨重载列车，部分区段达到5 5 0 0 到6 0 0 0 吨，其他部分干线普遍提高列车牵 引定数，增加了既有线路的输送能力1 7 】。 重载运输代表了铁路货物运输领域的先进生产力，世界各国的重载运输实践证明， 重载运输在提高铁路线路能力，降低铁路运输成本，提高铁路运输综合效益方面发挥着 重要作用。 1 1 2 重载机车的发展现状 从2 0 世纪8 0 年代开始，交流传动技术在国外得到长足的发展，在各种机车上获得 了广泛运用。这一时期欧洲的交流传动技术发展势头较猛，出现了诸如d e 5 0 0 系列、 d i 4 型、m e l 5 0 0 型、d e 6 4 0 0 型等典型的欧洲系列交流传动内燃机车。 进入2 0 世纪9 0 年代，交流传动技术成为机车技术热点，美国交流机车市场异军突 起。其中以g m 和g e 两家公司生产的大功率重载货运交流传动内燃机车为代表。1 9 9 2 年g m 公司率先推出s d 6 0 m a c 型交流传动内燃机车，随后又相继推出s d 7 0 m a c 、 s d 8 0 m a c 和s d 9 0 m a c 。这一时期g e 公司也推出了a c 4 0 0 0 、a c 6 0 0 0 型交流传动内 燃机车。1 9 9 6 年德国a d g a n z 公司和美国g e 公司合作开发出了“蓝虎”系列交流传动 内燃机车，其功率范围从1 6 4 0 k w 到3 2 8 0 k w ，货运机车最高速度为1 2 0 k m h ，客运机 车最高速度为2 0 0 k m h 和2 4 0 k m h 。“蓝虎 系列交流传动内燃机车是典型的新一代交 流传动机车，既可用于客运，又可用于货运及调车作业。法国g e c - a l s t o m 公司近年在 交流传动技术方面发展也相当迅速，其研制的a d 3 3 c 型和a d 4 3 c 型交流传动内燃机车 均已分别出口到叙利亚和伊朗，两个型号的机车设计速度为1 4 0 k m h 。德国西门子公司 为欧洲制造的b r l 8 6 型及b r l 8 9 型重载交流传动电力机车，也已在欧洲批量投入运营。 交流传动技术的成熟发展给重载机车带来的一个巨大优势就是大功率，单轴功率不断提 高，目前电力机车的单轴功率可达1 6 0 0 k w ，这也为机车的提速和重载运输提供了功率 保证【8 - 1 0 1 。 与国外重载运输广泛采用内燃机车牵引不同，目前承担我国重载运输牵引任务的主 要是电力机车。我国电力机车发展自5 0 年代末研制成功第一台干线电力机车以来，已 经走过了将近5 0 年的发展历程。经过数十年的不懈努力，我国电力机车从无到有，从 客货两用到货运重载、客运高速，从直流传动到交流传动，从满足国内市场到进入国际 市场，实现了重大跨越，已经成为我国铁路运输行业的重要力量。 随着社会、经济的快速发展，作为传统交通形式，铁路运输在客、货运上均面临严 峻的挑战。在这种背景下，世界铁路行业根据客、货运输的不同性质，纷纷从客货共用 机车的研制转向重载货运电力机车及高速客运电力机车的研制。我国电力机车制造企业 2 第章绪论 也顺应了这种变化，先后研制成功了以s s 4 1 1 1 - 1 3 1 、s s 4 b 1 4 】型机车为代表的重载货运电力 机车系列和以s s 8 t 1 5 】型机车为代表的高速客运电力机车系列。 s s 4 型机车是根据“六五国家重点科研攻关计划于1 9 8 1 年开始研制设计的，1 9 8 5 年研制成功。该车持续牵引功率6 4 0 0 k w ，最高速度1 0 0 k m h ，主要适用于繁忙干线、 山区和晋煤外运线路等重要通道，是我国铁路干线牵引的主营机车，也是我国铁路干线 第一个重载货运的专用车型。s s 4 型机车的研制成功，标志着我国的电力机车发展达到 了一个新的水平。 为解决山区小曲线区段货运机车运用问题，我国于1 9 9 2 年又研制成功了s s 7 型电 力机车。此外，我国于1 9 9 1 、1 9 9 4 年研制成功了适用于次级运量干线的s s 6 、s s 6 b 型 电力机车；于1 9 9 7 、1 9 9 8 年分别研制成功适用于山区、多曲线、小半径铁路的s s 7 b 、 s s 7 c 型电力机车；于19 9 6 、19 9 7 年研制成功更有利于发挥粘着性能、适应全天候运用 的s s 4 b 、s s 4 c 型电力机车；为了提高大秦运煤专线的运能，先后又生产出了采用欧洲 技术的8 轴大功率交流传动电力机车h x d l 、h x d 2 、h x d 3 ，满足了不同地域、不同运 量、不同线路的需求，从而初步形成了我国重载货运电力机车型谱。目前，我国客运主 型电力机车有：s s 7 d 、s s 7 e 、s s 8 、s s 9 型。货运主型电力机车有：s s l 、s s 3 b 、s s 4 、 s s 4 b 、s s 6 、s s 6 b 、s s 7 、h x d l 、h x d 2 、h x d 3 型及引进的6 k 、8 k 、8 g 型等机型。 尽管我国的电力机车也取得了一定的成就，但在总结经验的同时，我们仍然需要正视我 国的电力机车与国际先进技术水平之间的差距【1 6 - 2 0 。 1 2 国内外研究状况 结合我国目前铁路运输能力严重不足的状况，开发满足于铁路运输需求的重载电力 机车产品将是改善我国铁路运输紧张状况的重要措施。而对于新产品的开发，首先要求 结构具有足够的强度、刚度，以便满足承载要求。因此，这项工作是许多专家在新产品 开发中始终致力于分析研究的重要内容之一【2 l 2 8 j 。 在机车车辆车体结构强度分析中，有的直接根据铁标和有关国际标准进行刚度与强 度计算分析【2 1 1 ，通过对比分析发现，仅将车体侧墙由桁架结构变为桁框组合结构，对车 体的强度、刚度影响不大。陈喜红等 2 2 1 运用最优化方法对2 0 0 k n g h 高速动力车车体结构 进行了优化，得到了满足强度、刚度条件要求的轻量化车体承载结构，而且通过优化可 以使结构的应力分布更为均匀合理【2 3 1 。刘丰芹f 2 4 】等根据国内外最新的标准与规范，着 重研究确定机车的载荷工况，并在此基础上进行车体的强度与刚度计算分析。而更为可 靠的分析方法是，在静强度试验结果的基础上进行有限元计算分析【2 5 1 。同时，杨俊杰【2 6 1 、 王松 2 7 1 、王明岩【2 8 1 等人采用不同的载荷工况，分别对“天梭 号交流传动电力机车、 大连交通大学工学硕士学位论文 1 2 0 k m h 交流传动货运电力机车和h x d 3 型大功率交流传动货运电力机车等新型电力机 车车体进行了结构强度分析。 在现代机车车辆结构设计理念中，产品的抗疲劳性能是评价其优劣的重要标志之 一。随着机车车辆运行向高速、大功率、重载的方向发展，机车车辆的实际运行工况变 得更为恶劣，疲劳失效问题更为严重。在新型机车车辆的设计制造或者是既有机车车辆 的改造中，几乎都进行了疲劳寿命的分析或者试验研究，尽管如此，机车车辆的结构部。 件在运行过程中疲劳事故仍然经常发生。如提速客车转向架2 0 9 h s 的联系梁、吊杆、牵 引座出现疲劳裂纹；提速客车转向架c w l 6 0 的吊杆、构架和横向控制杆发生疲劳断裂； 提速机车s s 8 的转向架端梁发生疲劳断裂；蓝箭号动力车的牵引座、电机吊座出现疲劳 破坏；自主研制的高速列车“先锋号”( 2 5 0k r n h ) 和“中华之星( 2 7 0k m h ) 在试运行 中也出现了抗蛇行减振器座疲劳开裂和群板折断等结构强度事故【2 9 l 。事实说明，我国现 行的疲劳寿命的评价方法距离工程实际应用尚有很大的差距。因此，疲劳强度与可靠性 的评价方法，以及如何预防机车车辆在实际运行过程中疲劳破坏的发生已经是亟待解决 的问题。 电力机车的车体结构在实际运行中要承受各种设备载荷、起动和制动时产生的纵向 力，以及从转向架传递来的各种随机振动载荷，在机车牵引起动和制动时，车体结构的 关键部位还受到冲击载荷的作用，且还要受变压器、空调及空压机等设备的振动影响。 由于车体结构大多是由板梁组成的空间框架结构，基本采用焊接方式连接，因此在设计 过程中可能就会出现总体与局部范围内的几何或刚度突变，及焊缝、焊接接头设计的不 合理等，使得在局部位置产生应力集中。这些因素都可能导致车体结构在动应力作用下 产生疲劳裂纹和裂纹扩展，从而加速车体关键结构部件的疲劳断裂破坏等严重事故的发 生。 疲劳破坏是机车车辆焊接钢结构的一种重要失效形式。国内外铁路机车车辆的专家 学者对机车车辆关键结构的部件都展开了广泛研究，取得了一定的成剁3 0 4 0 】。 中南大学鲁寨军、田红旗、刘堂红【3 0 l 等提出基于动应力仿真分析的疲劳强度分析方 法，探讨了2 7 0k m h 高速动车的动应力仿真分析，利用a n s y s 软件瞬态分析功能仿真 分析得到该车体运行于2 7 0 k m h 时的应力一时间历程曲线；编程实现雨流计数法，将应 力一时间历程整理成应力谱形式对车体疲劳强度进行了评估。此方法尽管弥补了静态叠 加中没有考虑动应力响应的不足，但仍存在一个重要的问题是没有考虑轮轨接触的问 题，因此其动应力的仿真与实际状况还是有比较大的出入。 缪炳荣、张卫华【3 l 】等提出一种多体动力学仿真和有限元相互结合进行结构疲劳寿命 预测的方法，并以机车车体结构为例进行了疲劳寿命计算，利用s i m p a c k 的多体仿真 4 第一章绪论 技术获得车体结构的动载荷历程；在a n s y s 中利用准静态应力应变分析法计算结构危 险节点应力影响因子；最后基于m i n e r 损伤理论，对车体结构进行疲劳寿命预测。结果 表明车体结构的疲劳损伤主要发生在1 5 h z 下的低频区域内，且损伤范围主要发生在车 体底架和侧墙连接处、车体牵引座和车体边梁的连接处等。尽管动力学仿真与有限元相 互结合的方法考虑到了静、动应力对车体结构破坏的影响，然而车体结构在实际线路上 的动载荷响应是相当复杂的，虚拟仿真不可能真实模拟，具有一定的局限性，同时该方 法并未考虑到车体结构的焊接情况，包括焊缝布置、焊接接头型式、焊接工艺等对疲劳 破坏的影响。 s u n gl is e o ，c h o o np a r k ，k ih w a nk i m 3 2 】等对某型铝合金地铁车辆的车体结构 疲劳进行了动载荷试验研究，建立了一种地铁车辆的车体动载荷测试方法。得出利用节 点静强度测试结果研究车体结构疲劳结果是不准确的，应该采用动载荷测试方法。 阿久滓胜, 贝l j l 3 3 】等在混合结构车体强度评价试验中主要对车体在垂直静载下的疲劳 强度试验进行了研究。具体方法是除了在车体上施加标准设计条件下的垂直静载荷外， 同时考虑运行时车体上下振动等因素引起的相当于0 9 8 m s 2 加速度的动态垂直交变载 荷。疲劳强度的评价标准是以疲劳试验前后所进行的静载荷试验测定的应力、车体挠度 和用重锤落下法确定的车体垂直弯曲固有振动频率的变化情况来判定。 彭得其瞰】等根据断裂力学原理，采用u i c 5 1 5 标准，利用i - d e a s 软件对1 2 0 k m h 整体焊接转向架构架进行了疲劳分析，采用应力计算结果全部处于g o o d m a n 曲线内 的判定方法来说明焊接转向架构架在2 0 0 万次循环应力内不会发生疲劳破坏； 李志琴、彭永明【3 5 】对s s 7 e 型电力机车转向架构架的可靠性进行了研究，利用在不 同工况下，计算各危险节点的最大及最小主应力值，将各节点平均应力及最大最小主应 力值按g o o d m a n 曲线对疲劳强度进行评估。李涛f 3 6 1 ，赵可7 】等分别对高速电力机车 转向架构架和s s 4 改进型电力机车转向架构架进行了疲劳分析，利用不同工况下，各危 险点的第一主应力和第三主应力的最大值和最小值，计算平均应力及应力幅，将其最大 及最小值按g o o d m a n 曲线进行了疲劳强度评估。相比之下，后者的评价更为保守。 张开林【3 8 】对电力机车转向架构架焊接补板疲劳强度进行了评估，依据u i c 6 1 5 4 标 准的计算工况，选取各工况下的危险部位的最大值与最小值，简化成二向平面应力状态， 按如下公式计算等效平均应力及等效应力幅，之后采用g o o d m a n 曲线图进行疲劳强 度评定。 o q = o 憾七。唧 大连交通大学工学硕士学位论文 式中，o m x ，o m y 分别为x ，y 轴方向上的平均应力；o a x ，o a y 分别为x ，y 轴方向上的应力幅 值； l t a x y 为x y 平面上的剪切应力幅值。 文献 3 4 3 8 采用不同的标准，以g o o d m a n 曲线来判定转向架构架的疲劳强度， 尽管没有考虑到实际动应力对构架的响应及构架的几何结构形状和焊接细节，不过由于 这些疲劳强度评定方法是一种近似分析方法，其分析计算原理较简单，在构架结构设计 阶段易于实施，可以对构架焊接结构的疲劳强度进行定性的分析，具有一定的借鉴意义。 张开林、王忠【3 9 】采用将有限元应力应变分析、动力学仿真结果与疲劳分析相结合的 方法对某出口动车转向架构架垂向减振器座的疲劳可靠性进行了研究，避免了传统方法 的疲劳设计缺陷。然而虚拟模拟不能真实反映铁道车辆的实际载荷谱和未考虑车辆结构 的细节情况使得该方法具有定的局限性。 从上述国内外的文献可以看出，对于机车车辆疲劳的研究主要侧重于转向架构架的 研究，而对于机车车体结构的疲劳研究方法相对较少。 尽管人们对机车车辆焊接结构的疲劳问题进行了大量的研究，然而机车车辆在实际 运行过程中疲劳破坏事故还是频繁发生。这主要归咎于对机车车辆实际运行情况与整体 结构和局部细节的疲劳行为规律把握不足，在设计时没有优化好结构细节并保障其基本 疲劳强度。 这是因为，在机车车辆开发过程中，按照静强度理论基础的设计方法以及通常的有 限元分析方法，设计人员很难考虑到车体在局部细节上的几何形状或刚度的突变，又因 为设计与工艺在实际过程中的相互独立状态，设计人员更难考虑到焊接结构焊缝布置的 合理性及焊接接头的型式、坡口的型式等疲劳破坏的重要影响因素。另一方面，在制造 生产过程中，焊接工艺人员的焊接质量也是引发疲劳破坏的重要因素。 因此，对于新的机车车辆产品的开发，在设计阶段就对其结构进行合理和准确的疲 劳评估，对于新型机车车辆的设计制造是一项十分重要的内容。 1 3 本文研究内容及意义 研究内容： 本文以自主开发、研制的d b c9 6 0 0 k w 重载交流传动电力机车车体结构为研究对 象，该车体结构与普通的电力机车车体结构相比有两个显著的特点：纵向压缩力增大到 3 0 0 0 k n 和侧墙板厚增加到1 4 r a m ，因此对电力机车车体结构也提出了更高的要求。本文 的研究工作主要针对这种新型的重载电力机车车体载荷与结构的特点而展开，具体工作 包括如下几个方面： 6 第一章绪论 1 、首先运用有限元分析方法，建立了重载交流传动电力机车车体结构的计算模型， 对其进行了强度、刚度分析及结构合理性评价，并且根据计算结果和潜在的问题，对车 体结构提出了具体的改进建议。 2 、为了使重载电力机车车体结构的自重尽量减小，进一步考虑了机械间侧墙板厚 度对车体结构强度的影响，对其进行了合理性分析与改进。 3 、通过组合静强度计算及e n l 2 6 6 3 的疲劳载荷计算的结果来判定车体结构的危险 部位，找出各危险部位在不同工况下的三个主应力和x 、y 及z 向应力的最大值和最小 值，计算其应力幅值，从而确定各危险部位的最大动应力值。 4 、由于动应力是引起车体结构疲劳破坏的根本原因，在确定危险部位的最大动应 力之后，进一步考虑危险部位是否具有几何结构形状或刚度突变及是否处于焊接区域， 同时考虑焊接接头的型式、坡口型式及焊接工艺，从而对车体结构从总体到局部细节进 行全面的评价。 5 、根据疲劳危险部位的焊接结构、焊接接头型式等特点，研究提出提高疲劳强度 的改进措施。 研究意义： 对于新型重载电力机车的开发，结构强度及合理性分析是一项十分重要的工作，而 对于疲劳强度与可靠性分析，更是现代机车车辆必不可少的重要内容。然而，虽然基于 静强度理论的结构强度设计与优化方法比较成熟，但关于疲劳强度与可靠性的分析，与 实际的工程应用尚具有很大的差距，其评价与分析方法本身就是一个亟待进一步完善的 关键问题。 由于我国对应用于铁道机车车辆行业的焊接结构疲劳强度方面的科研水平较为滞 后，加之焊接制造工艺水平相对落后，在投入实际运营的机车车辆中疲劳破坏事故频发， 给我国铁路带来的巨大生命财产损失。 因此，本文通过对新型9 6 0 0 k w 重载交流传动电力机车车体结构的研究，为机车车 体结构的设计制造提供重要的工程指导依据，同时本文的研究结果，对新型电力机车的 设计，以及疲劳强度评价方法的研究具有重要的学术价值。 本章小结 本章介绍了国内外重载运输的发展状况及重载机车尤其是我国重载机车的发展现 状，指出了我国未来市场对重载机车的需求。同时对国内外专家对机车车辆结构强度、 刚度及疲劳问题的分析和评价进行了探讨，阐释了现行疲劳强度评价方法的优缺点及局 限性。在此基础上，阐述了本课题的研究内容和研究意义。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 第二章车体结构分析的有限元法 2 1 引言 早在2 0 世纪4 0 年代，克拉等人就提出了有限元法的基本思想，5 0 年代中期这一想 法首先被用于飞机的结构分析，其分析思路是将整个结构看作是由有限个力学小单元相 互连接而成的集合体，每个单元的力学特性组合在起便可提供结构的力学特性。1 9 6 0 年，r w c l o u g h 在应用位移法分析复杂平面应力时，首先提出“有限元法”( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，简称为f e m ) 这一术语。现在，有限元法除了在结构静力学分析中发 挥了极大作用外，还广泛地应用于其他连续介质和各种场问题的求解中，如流体力学、 热传导、电磁场以及结构动特性，目前国内外已有许多大型通用的有限元分析软件可供 使用。因而，工程技术人员在进行结构分析时的主要任务是设法将复杂的工程实际问题 加以简化，建立合理的计算力学模型，然后再按所规定的要求，准备好所需的数据与信 息，运用计算机进行求解，最后再分析计算结果的合理性。 2 2 有限元法结构分析理论 有限元法是把弹性体假想地分割为由有限个单元所组成的组合体，即在计算的图形 上划分网格，分成有限个单元，简称离散化。这些单元互相连接，连接点称为节点。离 散化的组合体与真实的弹性体的区别在于组合体中单元与单元之间的连接点除节点外， 再无其他任何重叠。因此，单元问只能通过节点传递力的作用。通过节点传递的力称为 节点力，作用在节点上的载荷称为节点载荷。 当弹性体受到外力作用发生变形时，其相应的各个单元也将发生变形，同时对应的 各个节点也将产生不同程度的位移，这种位移称为节点位移。在有限元法中，以节点位 移分量作为基本未知量进行求解的方法称为位移法，以应力分量作为基本未知量进行求 解的方法称为力法，两者兼而有之的方法称为混合法，其中以位移法的应用最为广泛。 有限元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤 4 0 4 2 1 ： 2 2 1 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析第一步，也是有限元法分析中重要的一步，关系到计算 精度和计算效率。离散化的过程就是将分析的结构划分成有限个单位体，使力学模型变 成离散模型，并在单元体的指定点设置节点，把相邻的单元体在节点处连接起来组成单 元的集合体，以代替原来的结构。如果分析的是连续体，为了有效地逼近实际的连续体， 就需要考虑结构的几何形状特点、载荷及约束的要求等来确定划分的方案。 8 第二章车体结构分析的有限元方法 结构离散化后求解的问题就转变为求有限个自由度下的节点位移。有限元法计算精 度取决于划分单元的形状、大小、数目及分布情况，通常划分的单元愈多、愈密集，也 就愈能反映实际结构状况，计算精度也愈高，不过计算的工作量也相应地增大。因此必 须两者兼顾，在满足计算精度的要求下，单元的数目应尽可能地少。 2 2 2 位移模式的选择 在结构离散化完成后，就可以对典型单元进行特性分析。在分析连续体问题时，为 了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，就必须对单元中位移的分布做出一定 的假设，也就是假设位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。 位移函数的适当选择是有限元分析中的关键。在有限单元法中，普遍地选择多项式 作为位移模式，其原因是多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便，并且从所有光滑 函数的局部来看都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。至于多项式的项数和 阶数则要考虑到单元的自由度和有关解的收敛性的要求。一般多项式的项数应等于单元 的自由度数，它的阶数应包括常数项和线性项。 根据所选定的单元位移模式就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系 式，其矩阵形式为 纱) = 【】p y ( 2 1 ) 式中： f ) 单元内任一点的位移矩阵； n 】形函数矩阵。 6 l 单元节点的位移矩阵； 2 2 3 单元力学特性的分析 在选择了单元类型和相应的位移模式后，就可以进行单元特性的分析，它包括下面 三部分内容： 利用几何方程，通过对表达式( 2 。1 ) 求偏导数导出用节点位移表示单元内任意 一点应变的关系式： 叠) = 陋】y ( 2 2 ) 式中： ) 单元内任一点的应变矩阵； b 】单元应变矩阵； 利用物理方程： o ) = d 】 ，由应变的表达式( 2 2 ) 导出用节点位移表示单元 内任一点的应力的关系式： 9 大连交通大学工学硕士学位论文 p ) = 【d 】陋】p ) 。= i s p 。 ( 2 3 ) 式中： o 卜一单元内任一点的应力矩阵； 【d 】与单元材料有关的弹性矩阵； 【s 】应力矩阵； 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力与节点位移之间的关系式，即单元的 刚度方程： 埘- - k i 坩 ( 2 4 ) 式中： r l 单元的节点力矩阵； 【k 】l 单元刚度矩阵； 可以导出： 医】= j ，陋】2p 】陋】a x a y a z ( 2 5 ) 在以上三项中，导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。 2 2 4 等效节点力的计算 结构经过离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是作为实 际的连续体，力是通过公共边界传递的。因此这种作用在单元边界上的表面力和作用在 单元上的体积力、集中力等需要等效移置到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所 有作用在单元上的力。移置的方法是按虚功等效的原则进行，即作用在单元上的力与等 效节点力在任何虚位移上的虚功都相等。 2 2 5 建立结构的平衡方程 集合的过程包括两方面的内容：一是由各个单元的刚度矩阵集合成整体结构的总刚 度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力矩阵集合成总的载荷矩阵。最常用的集合刚 度矩阵的方法是直接刚度法。集合所依据的是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移 相等。由此得到以整体刚度矩阵 k 】、载荷矩阵【r 】以及整个结构的节点位移矩阵 6 ) 表 示的整个结构的平衡方程为： 纽) = 医】 ( 2 6 ) 2 2 6 约束处理并求整体刚度方程 引进边界约束方程，修正整体刚度方程后，消除整体刚度矩阵的奇异性，由集合起 来的平衡方程( 2 6 ) 就可求得节点位移。 1 0 第二章车体结构分析的有限元方法 2 2 7 计算单元应力并整理计算结果 利用公式( 2 3 ) 和已求出的节点位移来计算各单元的应力，并加以整理得出所要 求的结果，并绘出结构变形图及各种应力分量、应力组合的等值图。 本章小结 有限元法是一种典型的求解连续场偏微分方程的数值计算方法，是现代设计的主要 手段，结构有限元分析是结构现代设计方法学的重要内容。本章介绍了有限元分析的理 论基础，主要内容及分析步骤。指出有限元法的核心思想是结构的离散化，就是将实际 结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体 进行分析，得出满足工程精度的近似结果来代替对实际结构的分析，这样可以解决很多 实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 大连交通大学工学硕士学位论文 第三章疲劳理论概述 3 1 概述 目前，由于我国大功率重载列车的线路运用处于初始阶段，重载列车的服役环境、 车体结构设计所采用的技术及静强度和疲劳强度试验载荷和试验方法均很不完善。因 此，在大功率重载列车车体结构的设计阶段，经常遇到车体结构疲劳强度或寿命预测的 问题。传统的静强度设计方法不能够满足大功率重载列车车体结构的要求。为了保证新 产品在不能完全确定的服役环境下具有足够的疲劳寿命，需借鉴相关的疲劳理论基础、 数据及方法等来指导我国重载列车车体结构的设计。 3 2 疲劳相关术语 ( 1 ) 疲劳的定义：疲劳是指结构零部件在动载荷的长期作用下，在其强度薄弱的局部 区域产生微小裂纹并不断扩展，最终使零件断裂破坏的过程。 ( 2 ) 疲劳强度：疲劳强度是指材料或构件在指定的寿命条件下抗疲劳破坏的能力。 ( 3 ) 疲劳极限：疲劳极限就是指在一定循环特征r 下，材料或构件承受无限次应力循 环( 一般以1 0 7 为界) 而不发生疲劳破坏的最大应力6 m 缸，一般用q 表示。因材 料的疲劳极限随加载方式和应力比的不同而有所差别，通常以对称循环下的疲劳 极限g j 作为材料的基本疲劳极限。 ( 4 ) 疲劳寿命：疲劳寿命是指构件在疲劳载荷作用下发生破坏时所经受的应力或应变 的循环次数，一般用表示。试样的疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的 疲劳载荷水平，一般来说，外加疲劳载荷越大，材料的疲劳寿命越短；反之，疲 劳寿命就越长。表示这种外加应