（载运工具运用工程专业论文）高速动车组转向架构架强度设计与试验验证.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第f 页 摘要 动车组高速运行引起的复杂高频振动恶化了转向架构架受力状态，构架强度设计在 高速动车组研究中显得尤为重要。基于焊接结构疲劳设计方法，本文提出了在现行焊接 构架制造工艺及材料性能条件下，以有限的线路试验数据作为支撑，利用数值仿真作为 服役载荷获取的主要手段，强化台架强度试验验证，作为构架强度设计的基本框架。 本文构建了部分焊接接头基础性能数据库，在各类强度评定方法的分析以及有限元 计算与台架试验比较的基础上，得出名义应力法和结构应力法能满足构架强度设计的需 要的结论。确定精细网格有限元模型可获得足够精度的应力数据，较高应力区的计算误 差可控制在1 0 以内。 为全面获取构架动态服役的载荷条件，本文开发了车辆系统动力学仿真软件。该软 件的理论基础为多体动力学理论，根据小弹性变形假定对车体、构架进行模态柔性处理。 程序使用面向对象c + + 语言编写，在m f c 架构下实现动力学方程自动生成及求解。 本文进行了箱梁型和管梁型两类构架在各种运行工况下的刚一柔耦合动力学仿真，对 比分析两类构架的动应力水平及疲劳损伤分布状况，研究表明对于构架主体结构其扭转 刚度和垂向弯曲刚度是动应力幅值和均值的直接相关指标。由两类构架谐响应分析及扭 转频率与侧梁各部位疲劳损伤的相关性分析结果，确定了构架结构的刚度指标与强度指 标的关联性，为构架强度设计提供了指导建议。 本文在国外主要强度标准及主要厂商试验验证程序的基础上，研究了某型动车构架 在各类验证程序下的评定结果的差异。在分析结果的基础上，总结出合理保守且代价较 小的静载试验方案。 本文还就动态加载的试验载荷谱开展研究。在损伤等同原则下，将经试验数据修正 的短程仿真数据拓展生成与设计寿命目标一致的台架试验谱。由于车辆动力学性能随服 役时间增长呈现下降的趋势，本文提出了利用特征指标和性能劣化函数计算全寿命周期 内等效服役特征的方法。本文还采用刚柔耦合动力学模型构建了虚拟试验加载系统以验 证各影响因素对加载效果的影响。 关键词：高速动车组；转向架构架；强度设计；试验验证 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 a b s t r a c t a st h er u n n i n gv e l o c i t yg r a d ei n c r e a s e d ，h i g hf r e q u e n c yv i b r a t i o n sd e t e r i o r a t et h es e r v i c e c o n d i t i o n so ft h eb o g i ef r a m e s f a t i g u es t r e n g t hd e s i g na n dr e l i a b i l i t ya r ee s s e n t i a li s s u e so f t h er e s e a r c ho ft h eh i g hs p e e de l e c t r i cm u l t i u n i t s ( e m u ) t r a i n s b a s e do nt h ew e l d e d s t r u c t u r e sf a t i g u ed e s i g nm e t h o d s ，t h et h e s i si n t r o d u c e dac o m p l e t ef r a m eo fd e s i g np r o c e s s c o m p o s e do fc o n s t r u c t i o no ft h ef a t i g u ed a t a b a s eo ft h ew e l d e dj o i n t s ，l o a d so b t a i n e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n st h a tv a l i d a t e db yl i n et e s t sa n de n h a n c e dt e s tb e h c hv e r i f i c a t i o n s p a r t i a lf a t i g u ed a t a b a s eo fw e l d i n gj o i n t sw e r ec o n s t r u c t e di nt h et h e s i s b a s e do nt h e a n s l y s i so fm a i nw e l d i n gd e s i g nc o d e sa n dc o m p a r i s i o nb e t w e e nf e mc a l c u l a t i o n sa n db e n c h t e s t s ，n o r m i n a ls t r e s sa n ds t r u c t u r a l s t r e s sd e s i g nm e t h o d sa r ef e a s i b l ef o rf l a m ed e s i g n n o m i n a ls t r e s sf e me v a l u a t i o nm o d e l 、析t he x t r ad e n s ef i n i t ee l e m e n t sg r i d sc o u l dm e e tt h e p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t s r e l a t i v ee r r o r sc o u l db el i m i t e db e l o w10 c o m p a r e dw i t ht e s t si n c r i t i c a la r e a s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fs t r e n g t he v a l u a t i o na n df a t i g u ed a m a g ec o m p u t a t i o n ， v e h i c l ed y n a m i c ss i m u l a t i o np r o g r a mw e r ed e v e l o p e d t h es o f t w a r ei sb a s e do nt h em u l t i b o d y d y n a m i c st h e o r ya n di m p l e m e n t e dw i t ho b j e c to r i e n t e dc + + l a n g u a g e t h eb o g i ef r a m ea n d c a r b o d yc a nb em a d ef l e x i b l e 、丽t hs m a l le l a s t i cd e f o r m a t i o na s s u m p t i o n o p e ns o u r c er o u t i n e o p e n s c e n e g r a p hw a s u s e dt oi m p l e m e n t3 dg r a p h i ci n t e r f a c ea st h er e n d e r i n ge n g i n e t h e w o r k f l o ww a si m p l e m e n t e db yt h em f cs i n g l ed o c u m e n tv i e wa r c h i t e c t u r et h a tc a l lm a n a g e v e h i c l ec o m p o n e n t s ，a s s e m b l ea n ds o l v es y s t e me q u a t i o n s 。 c o m p a r a t i o na n a l y s e sb e t w e e nb o x - t y p ea n dp i p e - t y p eb o i g ef r a m e sb yr i g i df l e x i b l e d y n a m i c ss i m u l a t i o n sa n df a t i g u ed a m a g ec o m p u t a t i o n sw e r et a k e n v e r t i c a lb e n d i n gs t i f f n e s s a n dt o r s i o ns t i f f n e s sa r ec l o s e l yi n t e r r e l a t e dw i t ht h em e a nv a l u ea n da m p l i t u eo ft h ed y n a m i c s t r e s s e s a c c o r d i n gt ot h ef e m h a r m o n i ca n a l y s e sa n df a t i g u ed a m a g ec o m p u t a t i o n so ft h e v a r i a t i o n a lt o r t i o n a ls t i f f n e s sf r a m e ，t h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hd e s i g np a r a m e t e r sh a v et h e i d e n t i c a lo p t i m i z a t i o nt a r g e t s t h ed i f f e r e n c e so ft h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa b o u tap i p e t y p em o t o rb o g i ef l a m eu n d e rf o u r t e s tp r o g r a m sw e r es t u d i e di nt h e t h e s i s b a s e do nt h ea n a l y s e s ，o p t i m i z e ds t a t i ct e s tp r o g r a m w a ss u m m a r i z e dw i t ht h ec o s t sa n ds a f e t ym a r g i nr e s p e c t e d d y n a m i ct e s t sw e r es t u d i e di nt h et h e s i s t h et e s t ss p e c t r u mi sg e n e r a t e db ys h o r tt e r m s i m u l a t i o nd a t at h a tc o r r e c t e db yt e s t sd a t aa n de x t r a p o l a t e db yu s a g ef a c t o rb a s e do nd a m a g e e q u i v a l e n tp r i n c i p l e s e r v ec h a r e c a t e r i ci n d e xa n dd e t e r i o r a t i o nf u n c t i o nw e r ei n t r o d u c e df o r 西南交通大学博士研究生学位论文第1 il 页 f a c t st h a tv e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e sd e c r e a s ed u r i n go p e r a t i o nc y c l e s v i r t u a lt e s tb e n c h m o d e lw a sd e v e l o p e dt or e s e a r c hd e s i g nf a c t o r so fp h y s i c a lt e s tb e n c ht h a tc a ni n f l u e n c et h e c h a n n e l ss y n c h r o n i z a t i o na n dl o a d i n ge f f e c t s k e yw o r d s ：h i g hs p e e dt r a i n ；b o g i ef l a m e ；s t r e n g t hd e s i g n ；t e s tv e r i f i c a t i o n 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年后解密后适用本授权书。 2 不保密囹，适用本授权书。 ( 请在方框内打“) 学位论文作者签名：三乏斌指导教师签名：彳p 辛文 日期鲫l o 年中月2 f 日日期：2 bi 佴q - 月2 j 日 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 为更好获得构架动态服役的载荷条件，本论文提出基于构架柔性模型的多柔体系统 动力学仿真，以获取更拟实的构架动态服役载荷及动应力的仿真结果，来进行疲劳损伤研究 的强度设计方法，为实现这一方法，论文开发了多柔体系统动力学仿真程序。体现在第三章 3 1 节、3 2 节 ( 2 ) 论文首次将应变能评价方法和构架谐响应计算结果应用于构架强度评定中，结合名 义应力法的疲劳损伤评定，对高速动车组的不同构架形式进行了深入比对，提出适用高速动 车组结构形式的建议。体现在第四章。 学位论文作者签名： 三双 同期：20 lo 年孕月纠日 叠直銮鎏盔兰兰圭至耋耋耋薹鲨吝兰：墨 第1 章绪论 1 1 选题背景 随着国家中长期铁路网规划的推进实施，国内多个城市之间开行了2 0 0 k m h 以上速 度等级的动车组，京津、武广高速客运专线已投入使用，更高速度等级动车组的研制试 验工作陆续开展，国内主要制造商的研发能力已由引进消化吸收提升到到自主创新的高 度1 1 - 2 l 。随着车辆运行速度等级的提高，构架的服役里程大幅提高，车辆高速运行引起的 复杂高频振动也恶化了构架的受力状态，设计载荷条件变得难以确定。疲劳强度是构架 设计的核心指标，因服役条件不明确而导致的设计不当引起的构架疲劳开裂的事倒屡见 不鲜，严重影响了行车安全且造成了极高维护捡修费用1 3 1 ，如图1 - 1 中的构架关键部位 的疲劳裂纹。以r a m s ( 可靠性，可用性，维修性和安全性) 评价为核心的高速动车组 全寿命周期管理体秉逐渐纳入到车辆研发、运用过程中，低速运营条件下的构架设计规 范己不能满足高速动车组系统质量管理的要求。 ( a ：齿轮箱吊杆座根部开裂)( b ：横向止挡安装庄根都开裂) 图i - 1 构架关键位置疲劳开裂 以汽车为代表的现代车辆结构强度设计及试验验证流程如图1 2 所示嗍。第一阶段， 根据技术要求和接口需求，概念设计阶段确定结构型式与几何尺寸实现；根据许用应力 的限定，有限元静强度分析与结构拓扑优化确定原始设计方案；第二阶段，由动力学仿 真结果计算结构的动应力响应及疲劳损伤量，得出理论寿命及安全裕量；第三阶段，根 据上两个阶段的初步设计方案进行物理样机试制，由线路实测载荷谱确定台架试验加载 谱，最后由台架试验以确定结构的可靠度指标。第一、二阶段称为虚拟耐久性试验，第 三阶段称为物理耐久性试验。 虚拟耐久性试验是强度设计的主要工具，用以减少设计迭代、缩短设计周期；物理 耐久性试验是结构定型的核心验证工具，是质量保证最核心的环节。 蕊_ 愿霪 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 图1 - 2 构架设计方法 国内主要动车组制造企业在构架设计第一阶段采用了上述虚拟耐久性验证方法，通 过有限元静强度计算进行构架结构设计优化；第二阶段由于车辆运行工况复杂，通过仿 真获取的构架服役载荷时间历程的代表性与包络性难以明确，其计算寿命指标可信度较 差【5 8 】。另外，基于此仿真数据编制的动载验证试验不能揭示构架在真实服役条件下的可 靠度指标。第三阶段采用各类构架试验标准定义的静载、动载验证程序，由于这些标准 滞后于高速动车组的设计需要，构架的物理台架试验与车辆实际运用条件关联性不大。 对于高速动车组构架，产品设计阶段面临如下挑战： ( 1 ) 构架强度设计标准依据速度等级较低的运行条件制定，载荷计算方法等关键评价步 骤并未考虑车辆高速运行带来的构架承载变化。转向架结构型式及悬挂、驱动装置的不 断创新使得构架承载形式具有多样性，现行规范的评价考核体系无法统一。 ( 2 ) 焊接构架制造阶段中新型焊接技术及后处理工艺广泛应用，如焊接自动化、t i g 打 底、t i g 重熔、焊缝高频振动冲击及焊缝喷丸打磨等。传统疲劳强度设计规范的材料及 接头性能数据己不能满足现行工艺设计的要求。 ( 3 ) 传统构架设计规范的疲劳试验，无法与高速动车组实际的服役条件相关联，其验证 结果不足以明确构架线路运行的可靠度水平。 为解决这些挑战，构架强度设计应在动车组服役特征深入掌握的基础上，构建适用 于国内制造企业焊接工艺、材料性能的接头疲劳数据库，选用成熟且合理保守的虚拟耐 久性设计方法，针对具体运用环境进行强化试验证。 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 1 2 研究现状 1 2 1 焊接结构疲劳强度 疲劳是指金属材料或结构在循环载荷作用下发生不可逆的性能变化( 特指开裂) ，疲 劳损伤的形成发展大致分为以下几个阶段1 】： ( 1 ) 显微结构发生变化，损伤成核发展为微裂纹。根据单晶材料的大量研究，在循环应 变的最初几个循环，微观组织就己观察到主滑移面上的累积位错。由于正向加载的位错 积聚产生的应变硬化使反向加载的滑移不可逆，一个应变循环即产生了微观侵痕。 ( 2 ) 微裂纹长大合并，形成主导裂纹。当微裂纹长度与晶格尺寸相当时，由于微观材料 性能各向异性，微裂纹存在不均匀的应力场并在裂纹尖端应力集中，更多的滑移带被激 活。各微裂纹扩展方向偏折合并形成稳态扩展的主裂纹。 ( 3 ) 主导裂纹历经稳态、非稳态扩展，结构最终失稳失去承载能力。 材料、载荷、结构和环境因素在很大的范围内影响微观缺陷的成核条件和主导裂纹 的扩展速率，总寿命法和损伤容限方法是两类主要的疲劳强度设计方法。两种方法对应 的疲劳寿命定义为出现主裂纹的载荷循环数和裂纹由亚临界尺寸扩展到临界尺寸的载荷 循环数，对应结果的差异是由于对裂纹萌生阶段和扩展阶段的取不同的权重造成的【1 0 】。 焊接结构广泛应用于能源、车辆、土木、航海等工程结构。这些结构在运营中承受 不同形式的动态载荷，焊接接头容易在低应力区发生疲劳断裂，导致整个结构失效。评 定焊接结构疲劳可靠性、预测焊接结构服役寿命、优化焊接接头设计降低疲劳断裂危害 等就成为研究焊接结构的重要课题【1 2 。2 1 1 。 国内动车组转向架构架由合金板材与各类铸钢座拼焊而成，本文即针对焊接构架开 展研究工作。焊接构架疲劳强度问题的复杂性主要由以下几点带来的： ( 1 ) 热影响区( h a z ) 金相学变化及焊材的融合、凝固过程使焊接接头部位的材料具 有多相性、力学性能不均匀性。 ( 2 ) 焊接工艺的复杂性，焊缝不同程度的存在夹杂、气孔、咬边、未焊透、小裂纹等焊 接缺陷。 ( 3 ) 焊缝几何形状不统一，焊趾部位存在强烈的应力集中。 ( 4 ) 热影响区存在较大的残余应力，应力数值及分布难以掌握。 近几十年来，世界各国学者对焊接结构强度及疲劳特定进行了大量的研究。从接头 疲劳试验、疲劳理论、数值模拟等方面，总结了大量的焊接接头的疲劳特性数据，发展 了名义应力法、结构应力法、缺口应力法和基于断裂力学评定方法等各种安全评定和服 役寿命估算方法。各国和一些专业协会也以规范、建议等形式将上述焊接接头疲劳数据 和评定方法运用到指导焊接结构设计、评定、检修等实践中去【2 2 。2 1 。应力设计评价方法 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 在工程应用中占据主流，动车组构架强度设计主要引用规范如表1 1 所示： 表1 。l 常用焊接构架评价规范 颁布组织规范名称评定方法 名义应力、结构应力 欧洲标准化委员 e u r o c o d e 3p a r t1 1g e n e r a l 条件疲劳极限 会( c e n ) r u l e s s t r e s s - n 曲线，寿命计算 美国焊接协会 d1 1s t r u c t u r a lw e l d i n g名义应力、结构应力 ( a w s )c o d e s t e e l 19 t i i e d i t i o n 条件疲劳极限 i i w - 13 0 3 9 5f a t i g u e 名义应力、结构应力 国际焊接学会 d e s i g n so fj o i n t sa n d 缺口应力、d o n g 模型 c o m p o n e n t s i i w 条件疲劳极限 e x d o ex i i i 15 3 9 9 6 s t r e s s - n 曲线，寿命计算 e x d o ex v - 8 4 5 9 6 b 1 2 1 冲6 0t e s t st o 名义应力、结构应力 欧洲铁路研究学 d e m o n s t r a t et h es t r e n g t h 条件疲劳极限 会( e i 涮) o fr a i l w a yv e h i c l e s s t r e s s n 曲线，寿命计算 从1 8 2 9 年a l b e r t 对矿山升降机链条反复加载以验证其可靠性，到1 8 5 2 年w o h l e r 利用设计的旋转弯曲疲劳试验机研究车轴疲劳破坏并提出疲劳极限的概念，到1 9 1 0 年 b a s q u i n 、s m i t h 及h a i g h 提出的s n 曲线，到1 9 4 5 年m i n e r 提出的累积损伤模型，再到 1 9 5 4 年c o f f i n 和m a n s o n 提出的应变幅与疲劳寿命的经验关系式，金属疲劳研究始终是 一门以试验为主要研究手段、唯象法描述观察规律的学科。疲劳设计方法应用到产品设 计阶段，目的是尽量在早期发现薄弱环节以优化结构设计，试验验证是结构定型的最终 验收条件。 1 2 2 服役载荷仿真 结构的服役载荷信息是进行疲劳强度设计及试验验证的基础输入数据。彗星号喷气 式客机作为典型案例启示人们，设计阶段对载荷的估计不足及试验验证阶段欠缺动载验 证将带来灾难性后果。保守全面的掌握结构全寿命服役周期内的载荷条件并统计处理生 成试验加载谱是试验验证的前提条件。 高速动车组运行过程中，构架承受复杂的动态载荷，试验和仿真是获取载荷谱的两 种主要手段。两种方法各有利弊，需相互对比修正以保证结果的合理性及保守性。构架 承受的载荷分为主体载荷( 构架支撑约束、二系簧作用力、横向止挡作用力与抗侧滚装 置作用力等) 和接口载荷( 安装的各类减振器作用力、制动机、驱动系作用力等) 。线路 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 试验方法可以通过布置加速度传感器测量车体、各安装部件的加速度时间历程，获取构 架承受的相应振动惯性载荷。由于接口尺寸的限制，很难通过力传感器测试各减振器作 用力、驱动系扭矩及制动力等载荷。仿真方法通过数值计算获取车辆系统时域或频域的 动力学响应，主要方法有有限元方法( 显式或隐式动力学分析) 和多体动力学方法。除 碰撞等极端工况外，鉴于车辆系统规模庞大，一般采用多体动力学方法进行数值仿真。 构架的作用力可通过力单元( 弹簧阻尼、b u s h i n g 、作动器等) 及约束单元反力( 转动铰、 球铰等) 获得。由于车辆系统存在众多的非线性环节，如非线性悬挂特性、非线性轮轨 接触关系等，仿真结果相对真实情况只能提供有限程度的逼近。 多体动力学建模 多体动力学是计算力学的一个分支，其理论体系己渐趋完备3 3 枷】。按系统拓扑结构， 车辆由惯性单元( 刚体或柔性体) 、力单元与运动学约束单元组成。系统自由度描述按参 考坐标系的区别分为绝对坐标系描述和相对坐标系描述。相对坐标系适合描述链式拓扑 结构系统，以相对坐标描述部件之间的相对运动，可获得系统最小常微分方程组。绝对 坐标系描述在全局坐标系( 空间位置固定) 下描述各部件的位置、方位矢量，部件之间 的运动约束关系以非线性代数方程的形式表示。对于完整约束，可由约束雅可比方程组 确定系统的独立自由度，获得系统最小常微分方程。对完整或非完整约束，由虚功原理 得出增广格式的动力学方程，与约束方程组成系统微分代数方程组( d a e s ) 。 动力学系统方程求解 动力学系统仿真分析类型主要有静态分析( 确定车辆初始状态，非线性方程组) 和 非线性时域动态分析( 常微分方程组或微分代数方程组) ，常用的多体动力学数值求解方 法如表1 2 所示【4 1 舶】： 表l 一2 系统方程求解方法 类型算法备注 非线性代数方程组 或采用牛顿下山法等迭 n e w t o n - r a p h s o n 代方法保证稳定性及收 a e s 敛性 r u n g e - k u t t a 单步法，显式或隐式 常微分方程组显示a d a m s b a s h f o r t h线性多步法，改造为预估 o d e s 隐式a d a m s m o u l t o n 修正方法 b d f 微分代数方程组 s d i r k s i n g l yd i a g o n a li m p l i c i t 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 l d a e s i h h t in e w m a r k 族的变种i i ii 非线性轮轨接触关系 非线性轮轨接触关系是轨道车辆的独有特征，包含轮轨接触几何和轮轨非线性接触 力两方面的内容。轮轨接触几何计算确定轮轨接触点的空间位置，主要有迹线法和接触 几何代数方程组等方法。h e r t z 理论用于确定接触斑形状大小，切向蠕滑力可由k a l k e r 线性理论、沈氏理论、p o l a c h 理论等计算【4 7 觇】。 1 2 3 试验验证方法 转向架构架的试验验证基本上分为实验室验证和线路验证。线路试验验证一般为综 合性试验，考察车辆总体设计目标( 动力学、强度等) ，一般是通过应变片测量获取构架 关键位置的动态应变历程，通过条件疲劳极限的包络评定或寿命估算评价构架的安全性。 实验室验证分为静态加载试验和动态加载试验。静态加载试验包含屈服强度及疲劳强度 试验两类；动态加载试验用于评价构架耐久性及制造工艺，试验载荷谱一般由各个规范 定义。由试验采集的载荷信息，一般都是根据时域计数方法进行拓展获得。这对实测工 况提出了较高的要求，一方面需要进行大规模的试验工况规划，另一方面需要对采集的 数据进行滤波、剪裁和计数等操作获得实验室加载的液压作动器驱动信号。对于多轴非 比例载荷，以德国主要汽车厂商组成的疲劳联盟发展了一种载荷映射的方法以考虑不同 载荷通道的耦合效应【5 3 】。 1 3 本文的主要工作 本文针对高速动车组转向架构架研发阶段所必须考虑的强度问题，提出了以试验验 证为中心的构架设计方法。主要工作如下： ( 1 ) 设计阶段，有限元分析是主要的验证方法，总结出适合于工程应用的建模方案并建 立相应的主要焊接接头性能数据库。 ( 2 ) 构架结构形式具有多样性，通过柔性多体动力学及结构动力学计算，总结构架基本 设计指标及一般性原则。 ( 3 ) 动态加载试验是验证的核心环节，由于国际标准相对于车辆研发的滞后性，发展以 仿真为主要手段，线路测试为修正的时域载荷谱获取方法。依据车辆的服役特殊性，提 出以劣化函数唯象描述车辆性能的变化导致的构架服役状态的变化。由于商用软件的局 限性，采用面向对象技术发展车辆动力学仿真软件，应考虑由于轮轨磨耗、悬挂参数改 变等因素对车辆状态的影响。 ( 4 ) 针对构架静态加载试验验证程序的多样性，根据主要制造商及研究机构的方案，总 结出保守且代价合理的静态加载试验验证程序。 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 ( 5 ) 为蔺化构架受力计算，方便与实测数据的比对分析，提出以车体横向、垂向加速度 为构架受力的服役载荷指标参数。提出长程( 1 0 n gt e r m ) 等效指标的计算方法，并根据 损伤拓展法则进行累计超越频次拓展和或雨流计数拓展生成试验用谱。 ( 6 ) 针对构架安装部件三轴随机振动惯性载荷，在德国疲劳联盟提出的载荷方向映射方 法的基础上，提出时域内采样统计的方法以考虑各轴载荷的耦合效应，将不同比例的映 射载荷进行拓展获取构架安装接口试验验证程序的试验用谱。 本文工作的涵盖范围如下：以高速动车组构架强度设计为中心，构建设计工具集( 接 头疲劳性能数据库、仿真平台) 、设计方法集( 构架结构参数疲劳强度相关性研究) 与试 验验证程序集( 静载、动载验证程序) ，如图1 3 所示。 需求 分析 转向架构架全 寿命管理周期 图1 3 论文工作 i 判定 退役 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 第2 章焊接构架疲劳强度设计方法及接头疲劳性能数 据库 2 1 焊接构架强度设计方法 传统的疲劳设计核心是许用名义应力评定，这也是大多数构架强度设计规范的基本 方法。该方法并没有考虑焊缝的应力集中，将名义应力作为焊接接头的评价指标。由于 焊接接头类型的多样性，该方法引用一族疲劳强度性能数据获取不同的许用应力。随着 研究的深入，焊缝应力集中是决定接头疲劳强度的最主要因素成为共识，接头的应力集 中主要是由以下几方面形式： ( 1 ) 焊接接头类型( 对接、角接等) ，因几何构造突变造成的应力集中。 ( 2 ) 焊缝的局部几何构造形状，坡口、熔合区尺寸，这是焊缝局部应力集中的主要成因。 ( 3 ) 焊趾的几何形状，这对局部应力场具有强烈的应力集中效应，称为二次应力集中。 根据对上述三点应力集中因素考虑的不同尺度级别，基于应力的焊接接头疲劳设计 与评价方法可分为名义应力法、结构应力法、等效结构应力法和缺口应力法。 2 1 1 名义应力法 进行焊接接头疲劳强度设计和安全评价时，通过简单材料力学计算公式或常规尺寸 应变片测试方法得出结构特定位置( 远离应力集中区域) 的名义应力，然后与许用名义 应力做比较。 仃。：一f + 一m ( 一2 - 1 ) 仃。= 一十一 kl ， ” 彳j 判定安全的依据为服役应力不大于许用应力，即盯。盯。，；许用应力要经过安全系数修 正，即仃。= 盯一l s ，s 为安全系数。 许用应力方法即条件疲劳极限的安全评定，构架根据u i c 规范进行的修正的 g o o d m a n 疲劳极限图评定即属此方法。接头的g o o d m a n 疲劳极限图通过存活率和置信 度修正、安全系数修正、剪切修正、焊接形式修正后得到转向架构架各关键区域的 g o o d m a n 疲劳极限图，计算或实测的名义应力幅落入疲劳极限图包络线以内时，可判定 构架在指定寿命( 条件疲劳极限对应寿命) 内不会发生疲劳破坏，评价过程如图2 1 所 示。接头的条件疲劳极限对应的寿命数据应大于转向架构架的设计寿命。 一 要壹耋鎏盔兰兰圭譬耋兰i ：兰兰銮兰：蓦 图2 - 1g e o d m 肌疲劳极限圈评定方法 焊接接头承受多轴应力状态时有以下处理方法：应力分量同相，可基于传统假定 ( v o n - m i s e s 应力或t 坤w a 应力) 使用名义等效应力法进行安全评定和寿命预测；如应 力分量不同相，接头的疲劳强度将严重降低。双轴应力状态的焊接接头疲劳强度评定基 于以下经验关系式删： 一f 一= 二詈：v o n - m i s e s 变形能准则许用剪应力 v j 一口胛：垂直于焊缝的应力分量 一盯一：平行于焊缝的应力分量 一f ：焊缝承受的剪切应力。 2 1 2 结构应力法 h i b s c h i 最先提出离焊趾3 m m 的位置测试正交于焊缝方向的应变片测量值用于疲 劳强度评定，并提出这种应力评定方法不依赖于焊接接头类型、焊缝几何形状、受力形 式等因素，这是最早的结构应力概念嗍。该方法的局部应力参数能反映接头部位因几何 形状变化引起的应力集中( 一次应力集中) ，无法描述焊趾附近的强应力集中效应。 广泛认同结构应力概念为紧靠焊趾缺口或捍缝端部缺口前沿的局部应力，这个位置 m丧剖hb 第1o 页西南交通大学博士研究生学位论文 也是容易发生疲劳裂纹萌生的地方。尽管使用结构应力评定焊接接头疲劳强度表现出很 小的分散性，但仍受焊趾部位的缺口效应强烈影响，影响范围一般为距焊趾0 0 4 t ( t 为 板厚) 。不考虑焊趾缺口效应而定义的最大结构应力称为热点应力( h o ts p o ts t r e s s e s ， h s s ) ，这个概念是随着有限元理论的成熟和工程广泛应用发展起来的。使用有限元计算 焊趾附近应力场受网格大小等影响，热点应力通过插值方法将这个影响予以排除。焊趾 附近应力场具有强烈的非线性，热点应力通过试验测点插值、经验应力集中系数函数或 有限元方法得到。 试验插值方法 通用的且在许多规范中定义的试验插值方法一般有线性插值和非线性插值，插值点 与板厚有关。如图2 所示，在a ( o 4 t ) 点和b ( 1 0 t ) 点布置微型应变片( 敏感丝长度 小于0 5 r a m ) ，通过线性插值得到焊趾部位的h s s ，这种方法称为0 4 1 0 方法，如图2 2 所示。 图2 20 4 1 0 线性插值方法 如果a 点位置是在0 5 t ，b 点位置在1 0 t ，这种方式称为0 5 1 0 插值，该方法一般用 于管梁焊缝。除线性插值外，如焊趾附近应力梯度较大，可以测定三点应变进行二次插 值求解。 关于插值应力分量的选择，不同规范给出了不同的种类。i i w 、e u r o c e d e 3 定义为最 大主应力，a w s 使用正交于焊缝的应力分量。实际计算中一般使用后者，基于以下原因： a ) 主应力可能比正交于焊缝的应力要大的多。在焊缝附近，由于搭板对母板的附加刚度 约束，应力方向可能发生变化。越靠近焊趾，主应力与正交于焊缝的应力差别越小。b ) 只有正交于焊缝的应力分量受应力集中效应的影响。c ) 正交于焊缝的应变可以由微型应 变片测量，工程应用简便，主应力插值需要对各应力分量分别插值计算得到。d ) 主应力 方向可能因载荷工况变化而改变。 热点应力应力集中系数法【5 5 - 6 0 l 基于s c f 的热点应力计算方法广泛应用于管状焊接接头，a p ir p 2 a 规范定义了热 西南交通大学博士研究生学位论文第”页 点应力s c f 的线弹性叠加方法： h s s = s c f 戗f 蛾+ 弋峪c f l p b f l p # + 峪c f o p b f o p 3 ( 、2 3 、) 厶、分别为名义拉应力分量、名义面内弯应力分量和名义面外弯应力分量； 、战下、双珊分别为名义拉应力分量热点应力s c f 、名义面内弯应力分量 s c f 和名义面外弯应力分量s c f 。 有限元方法 热点应力方法最关键的是获得定义明确、符合规范的热点应力值。使用有限元计算 因对热点应力定义不同，步骤也有差别。既要考虑接头几何形状变化引起的应力集中效 应，又要排除焊趾细节的影响。如何在有限元计算模型中定义、求解热点应力成为国际 上热点应力研究的一个热点。现在一般有三大类方法：沿表面方向插值、沿厚度方向等 效线性化应力分布和等效结构( 热点) 应力方法。 h o b b a c h e r 提出焊趾附近的单元特征长度不应该超过0 8 t ( t 为板厚) 【6 l 】。s a v a i d i s 根据这一要求，对盖板焊接接头( 板厚为5 m m ) 进行了研究。使用s h e l l 平面应变单元， 单元长度范围为1 - 4 m m ，定义焊趾部位的节点应力为热点应力，他发现热点应力并没有 因单元尺寸的变化发生太大变化，提出了以下的建模策略：a ) 只要单元大小符合i i w 的 规定，不需要对焊缝建模和划分单元。b ) 使用节点应力应，有限元后处理程序不对节点 应力磨平【6 2 1 。 n i e m i 系统的阐述了母板与盖板焊接接头的有限元建模策略【6 3 1 。使用了基于平面应 变假定的s h e l l 单元和实体单元，参考试验插值方法，他提出了基于有限元计算结果的插 值方法求解热点应力，有限元建模策略如图2 3 所示。 ：= j 一 p - - - - - 一 嘞墨= _ - - - - 一 鳓j = ： _ _ - _ - _ _ - 。_ 一 懈元 d ) _ - + t 一一 e ) 图2 - 3n i e m i 的建模策略【6 3 】 另一种有限元计算热点应力方法是从焊趾处沿着厚度方向对应力场进行线性化处理 得到线性化应力场的最大应力定义为热点应力。对平面应变问题，非线性应力场按照正 第12 页西南交通大学博士研究生学位论文 应力等效和弯距等效的原则分解为对称应力分量和反对称应力分量，如图2 - 4 所示： 根据等效关系，在有以下等式3 】： 图2 4 t t w t 方法【6 3 1 卜+ 。- 一 ，o r a 。互1 门- o “，。+ 2 。仃“，- + + 2 仃“，n 一+ 仃“，一】( 2 4 ) 吒了t 2 + 吼i t 2 = 寿b 刚+ 6 吒，+ 1 2 吒，2 + + o 一1 - 6 - o x ，, n _ t + ( 3 ，z 一1 ) 吒，。】憎制 结构应力为：h s s = 仃。+ 。 上式中，仃。为拉伸应力，巩为弯曲应力。 上述有限元方法计算热点应力有一个明显的问题就是，焊趾部位应力场有明显的单 元尺寸相关性，即网格尺寸越小得到的热点应力越大。评价实践中，有限元采用实体网 格，单元尺寸小于板材厚度的1 4 ，参考的接头疲劳数据应为结构应力条件疲劳极限。 2 1 3 等效结构应力法 在焊趾应力梯度较大的一个微小区域内，由于材料内部的晶粒取向等微观各向异性 不可忽略，根据各向同性的弹性理论求得的弹性应力高于此区域的真实应力，这称为弹 性约束效应；如果这个区域已发生宏观塑性变形，称为塑性约束效应。鉴于弹性或弹塑 性有限元计算无法准确描述焊趾附近非线性应力场，一些学者引入了等效结构( 热点) 应力概念，以消除单元尺寸相关性和上述约束效应的影响。 d o n g 提出使用平衡等效结构应力( e 2 s 2 ) 和基于断裂力学的主s - n 曲线方法评定焊 接结构可靠性及寿命预测【】。该方法基于以下考虑：a ) 焊接接头应力集中部位( 例如 焊趾) 容易产生疲劳裂纹，这个区域的应力状态可以用平衡等效结构应力和自平衡结构 应力来描述。平衡等效结构应力与真实焊趾应力在断裂力学范畴内等效，提供了相同裂 纹扩展驱动力。自平衡应力是线性化焊趾部位应力场计算过程中引入的平衡关系的应力 表达，这几种应力表达如图2 5 所示。 西南交通大学博士研究生学位论文第13 页 i ：_ 髟 t t 。 7， 。lf 7i 渤。z 嚣 【研 图2 5 等效结构应力表达含义【6 5 1 图2 5a 表示了焊趾部位真实应力状态，b 表示平衡等效结构应力，与t t w t 方法 线性化处理应力场类似，但e 2 s 2 相当于一种远场应力状态，它在焊趾部位裂纹扩展驱动 力与a 真实应力状态作用效果相同。c 表示计算非单调焊趾应力场的e 2 s 2 时所引入的局 部应力参数。 ； ； a8 图2 - 6d o n g 方法计算e 2 s 2 与等效线性化方法类似，根据等效关系利6 5 】： 铲渺) ( 2 _ 5 ) 仃。了t 2 + i t 2 = j ：q ( y ) 。y 。方+ 万。j ：) 砂 自平衡结构应力o r ，= o r ，+ ，其定义如图2 - 6 所示。 对各种焊接接头施加水平纯拉力，d o n g 发现o r 。的比值范围为0 2 1 4 - 0 5 2 2 。虽 然自平衡结构应力可以由单元尺寸无关的有限元方法计算得出，他认为自平衡结构应力 与加载方式密切相关。为了在局部参数内消除加载方式的影响，引入s i f 来衡且o r m 、 对裂纹扩展的贡献率。如图2 7 所示，对理想化无限大板含有穿透型裂纹深度为a 。远 第1 4 页西南交通大学博士研究生学位论文 场应力为拉伸应力仃。和弯曲应力c r 6 。 图2 7 无限大板i 型裂纹扩剧删 裂纹尖端应力强度因子幅值为： 似趄城= q 峨厶+ a o b f h 协6 ， 如定义焊接接头失效为完全断裂，即旦为1 ，等效应力强度因子幅值定义为： ， 面a t , = li+e-al 瓴f l a 。以a )承正船。j 抛嘶圳_ 引 ( 2 7 ) 最后计算得： a k = f ，( 3 3 1 7 a c t 。+ 1 1 8 7 a c t ) ( 2 - 8 ) 3 3 1 7 和1 1 8 7 作为仃。和的权重系数，表征膜应力和弯曲应力对裂纹扩展的贡献