（车辆工程专业论文）基于虚拟样机技术的70t级新型通用敞车抗疲劳设计.pdf

摘要 摘要 伴随中国铁路跨越式发展战略的实施，铁路车辆制造行业先后推出了一系列提速、 重载新产品。在这些新产品投入市场运用之后，疲劳断裂问题日益突出。因而在7 0 t 级 新型通用敞车产品的开发过程中，如果还是以传统的静强度设计理念进行产品设计，必 然会造成产品结构静强度有余，疲劳强度不足的现象，将会对产品运用中的可靠性带来 严重的安全隐患。因此，基于虚拟样机技术对7 0 t 级新型通用敞车车体进行抗疲劳设计 就具有重要的现实意义。 本文在认真研究了虚拟样机技术的关键技术，也就是性能仿真技术的基础之上，对 7 0 t 级新型通用敞车主要进行了以下几方面的研究工作： 首先，根据7 0 t 级新型通用敞车的结构特点和技术参数，为该车车体建立了详细的 有限元模型；依据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范对模型进行了 细致的静强度分析、模态分析。根据静强度分析结果和结构的焊接形式，确定该车车体 较易出现裂纹的部位。 其次，根据有限元静强度分析结果，以a a r 标准中各类载荷谱为依据，从而获得 时间历程动态应力，然后以a a r 标准中各类焊接接头材料特性曲线，再基于m i n e r 损 伤累积理论，对7 0 t 级新型通用敞车车体关键部位的焊缝位置进行了抗疲劳设计。 最后，在样车制造后，根据其静强度试验结果同样用a a r 标准的载荷谱，作疲劳 寿命预测，并与根据有限元分析结果作出的寿命预测相对比，薄弱部位基本一致。说明 基于虚拟样机技术的抗疲劳设计是有重要意义的，也是可行的。 本文对7 0 t 级新型通用敞车的抗疲劳设计，对以后新产品的开发研究具有重要借鉴 意义。由于疲劳寿命预测影响因素众多，疲劳理论还不是十分成熟，因此，焊接结构的 疲劳寿命预测尤为困难。疲劳寿命预测真正价值体现在设计阶段的方案对比，通过疲劳 寿命预测对比优选出最佳设计方案，同时，也能通过疲劳寿命预测结果找出结构中应该 认真关注的部位。 关键词：虚拟样机技术；7 0 t 级新型通用敞车；抗疲劳设计 大连交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hi m p l e m e n t a t i o no fs t r i d ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yf o rc h i n ar a i l w a y s ，as e r i e so f h e a v yh a u lb r a n dn e wp r o d u c t sr u n n i n ga th i g h e rs p e e dh a v e b e e ng i v e nb i r t ht ot h em a r k e ti n r a i l w a yi n d u s t r y s i n c et h e s en e wp r o d u c t sp u ti n t os e r v i c e ，t h ep r o b l e mo ff a t i g u eb r e a k a g e h a sb e c o m em o r ep r o m i n e n tt h a nb e f o r e h e n c e ，f o rd e v e l o p m e n to f7 0 tn e wt y p eg e n e r a l p u r p o s eu s eo p e nt o pw a g o n ，i ft h et r a d i t i o n a ls t a t i cs t r e n g t hd e s i g np h i l o s o p h yw e r eu s e df o r p r o d u c td e s i g n ，i tw o u l di n e v i t a b l yr e s u l ti nm u c h m o r es t a t i cs t r e n g t ho ft h ep r o d u c ts t r u c t u r e a v a i l a b l e ，b u ti n s u f f i c i e n tf a t i g u es t r e n g t he x i s t i n gt h e r e ，w h i c hw o u l db r i n gi nt h es e r i o u s s a f e t yd a n g e rt ot h er e l i a b l es e r v i c eo ft h ep r o d u c t t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei n r e a l i t yi nc a r r y i n go u ta n t i f a t i g u ed e s i g no nw a g o nb o d yo f7 0 tn e wt y p eg e n e r a lp u r p o s e o p e nt o pw a g o nb a s e do nv i r t u a lm o d e lm a c h i n et e c h n o l o g y t h i sp a p e rp r e s e n t st h em a j o rr e s e a r c ha n ds t u d yo n7 0 tn e w t y p eg e n e r a lp u r p o s eu s e o p e nt o pw a g o ni nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 、i t l lc a r e f u ls t u d yo fk e yt e c h n i c a lk n o w h o wo f v i r t u a lm o d e lm a c h i n et e c h n o l o g y ，t h a ti st os a y ，o nt h eb a s i so fp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ： a tf i r s t ，c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r ef e a t u r ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f7 0 tn e wt y p e g e n e r a lp u r p o s eu s eo p e nt o pw a g o n ，t h ed e t a i l e df e am o d e li se s t a b l i s h e df o rt h ew a g o n b o d y t h e nt h es t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i sa n dm o d u l a ra n a l y s i si s d o n eo nt h em o d e li n a c c o r d a n c e 、崩t l lt b t 1 3 3 5 - 1 9 9 6 “s t r e n g t hd e s i g na n dt e s ta c c r e d i t a t i o ns p e c i f i c a t i o nf o r r a i l w a yr o l l i n gs t o c k ”t h ep o s i t i o no f t h ew a g o nb o d yf o rt h ec r a c km o r ee a s i l yo c c u r r i n g i sf i n a l i z e do nt h eb a s i so ft h er e s u l to fs t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i sa n dw e l d i n gt y p e sf o rt h e s t r u c t u r e s e c o n d l y ，t h ea n t i f a t i g u ed e s i g no nt h ew e l d i n gs e a mo nt h ek e yp o s i t i o no fw a g o n b o d yf o r7 0 tn e wt y p eg e n e r a lp u r p o s eu s eo p e nt o pw a g o n i sp e r f o r m e db a s e do nt h er e s u l t s o ff i n i t ee l e m e n ts t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i s ，a sp e rv a r i o u sl o a ds p e c t r u m si na a rs t a n d a r da n d d u ed y n a m i cs t r e s sv st i m e ，t h e nc h a r a c t e r i s t i cc a l v eo fv a r i o u sw e l d i n gj o i n t sa sd e s c r i b e di n a a rs t a n d a r da n dm i n e rd a m a g et h e o r y f i n a l l y ，u p o nc o m p l e t i o no fp r o t o t y p ew a g o np r o d u c t i o n ，t h ef a t i g u el i f e f o r e c a s ti s c a r r i e do u tw i t l lt h er e s u l to ft h es t a t i cs t r e n g t ht e s ta n dt h el o a ds p e c t r u mi na a rs t a n d a r d a l s oi nc o n t r a s tw i t ht h el i f ef o r e c a s tw i t ht h er e s u l to ff e a ，w h i c hi l l u s t r a t e st h a tw e a k p o s i t i o ni sb a s i c a l l yt h es a m ea se a c ho t h e r i ts h o w st h a ti ti sg r e a t l ys i g n i f i c a n ta n df e a s i b l e f o ra n t i - f a t i g u ed e s i g no nt h eb a s i so fv i r t u a lm o d e lm a c h i n et e c h n o l o g y a n t i f a t i g u ed e s i g no n7 0 tn e wt y p eg e n e r a lp u r p o s eu s eo p e nt o pw a g o na sd e s c r i b e di nt h i s p a p e ra t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h er e f e r e n c et or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff u t u r en e w p r o d u c t a st h e r ea r ev a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gf a t i g u el i f ef o r e c a s ta n df a t i g u et h e o r yi sn o ts o i i 摘要 m a t u r ea se x p e c t e d ，t h e r e f o r e ，i th a sb e c o m em o r ed i f f i c u l tt of o r e c a s tt h ef a t i g u el i f ef o rt h e w e l d i n gs 仃l 】c t l l r e t h et r u e v a l u ef o rf a t i g u el i f ef o r e c a s te m b o d i e st h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n ts c h e m e sa td e s i g ns t a g ef o r t h eo p t i m u md e s i g ns c h e m ei sf i n a l i z e dt h r o u g h c o m p a r i s o no ff a t i g u el i f ef o r e c a s t s ；m e a n w h i l e ，t h ep o s i t i o nf o rc o n c e r ni nt h es t r u c t u r ei s f i g u r e do u tw i t l lt h er e s u l to ff a t i g u el i f ef o r e c a s t k e yw o r d s ：v i r t u a lm o d e lm a c h i n et e c h n o l o g y ；7 0 tg e n e r a lp u r p o s eu s eo p e nt o p w a g o n ；a n t i - f a t i g u ed e s i g n i i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 ， 一 - ， ，。 ：。 本学位论文作者完全了解杰羹塞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 知识产权单位属太整塞道太堂，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塞量塞堂。学校有权保留并趣 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 阗帮借阕。 t、| 。 本人授权太蔓塞通态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信患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、缩印或扫描等复裁手段保存、汇编学位论 、 。 又。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ， 学位论文作者签名：蓑蛔 日囊：静萝年7 月 ? r 。簧 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：祷够燃喃脚客毒 通讯地址：稍啉怖悴表跆o 萝 毫子信箱：9 蜘髓孕 鑫善、洌 导师签名：口兮，i 精期：2 ，叼年月 + b 日 电话：o 秘j 一2 弘夕幽 邮编：，f f 叨1 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王作 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，也不包含为获得太整交通塞堂或其他教育机构的学位或证书雨 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，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：美屯两一二 鞲j 髋：2 - 0 0 8 年月，蛩翟 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究目的和意义 零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计 的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。 这种现象称为疲劳破坏。疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具 有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。金属的疲劳破坏形 式和机理不同于静载荷破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计 算所替代，属于动强度设计。随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展， 其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车 辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。疲劳强度设计 及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。 金属疲劳的研究已有近1 5 0 年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量 的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。但是由于疲劳破 坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应 用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。据统计，至今有约9 0 的机械零 部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。因此，在2 1 世纪的今天， 尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重 要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。 疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲 劳裂纹，并进一步扩展而造成的。这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围， 零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往 是这种危险部位。因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。一种是机械设计的 方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应 力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提 高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。 在解决实际工程问题时，往往需要结合运用以上两种方法进行疲劳强度设计和研究。合 理地利用各种提高疲劳强度的手段，可以有效地提高构件的疲劳强度或延长其疲劳寿 命，并起到轻量化的作用。 强度、刚度和疲劳寿命是对工程结构和机械使用的三个基本要求。疲劳破坏是工程 结构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态 大连交通大学工程硕+ 学位论文 断裂分析算出的安全载荷。因此开展结构疲劳分析有着重要的意义。齐车公司经过多年 的努力发展，在性能仿真方面有了很大的发展，但是大部分局限于静强度、刚度分析。 而随着虚拟样机技术的广泛应用，疲劳仿真分析方法也得到了很大的发展。如果对产品 抗疲劳设计认识不足，造成运用中出现疲劳裂纹，给铁路安全运营带来严重隐患，给企 业造成了极大的经济损失。为了保障铁路提速、重载及跨越式发展方针的正确实施，为 了在国内外激烈竞争的市场上经得起时间的考验，在产品结构的设计过程中，必须严格 贯彻可靠性设计原则，对其产品结构进行抗疲劳设计更是迫在眉睫的重要任务。 为了解决货车产品基于虚拟样机技术的抗疲劳设计问题，必须研究出一个可以利用 静强度分析结果，以a a r 标准中各类载荷谱为依据，从而获得时间历程动态应力，然 后以a a r 标准中各类焊接接头材料特性曲线为依据，基于m i n e r 损伤累积理论计算疲 劳寿命的分析方法。为货车车体在设计阶段进行抗疲劳寿命设计提供科学的、有相当精 度的设计依据。 1 2 虚拟样机技术的基本概念及其在国内外应用现状 传统产品的设计方法是先进行方案设计和方案论证，然后进行产品图纸设计。在图 纸设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性 的。当通过实验发现缺陷时，又要重新修改设计并再制造样机验证。只有通过周而复始 的设计一实验一设计这一过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对 于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。在很多情况下， 工程师为了保证产品按时交货而不得不中断这一过程，这就使得产品在上市之初便有先 天不足的问题，产品的质量无法保证，产品的性能就无法保证。而且需要的生产周期长、 设计、生产费用高。而随着国民经济的快速发展，市场经济对铁路货车产品的要求越来 越高。市场产品的批量小、性能复杂、要求的交货期短、产品的品种多。这种传统的设 计模式就和市场要求产生了矛盾。于是一个新的概念一一虚拟样机技术开始被人们所认 识并接受。 国外的学者根据不同的研究领域，给虚拟样机下了不同的基本定义i l - 3 1 。其中e d p a n d e r t 等人从机械工程研究领域出发，认为虚拟样机是一种针对测试对象和物理原 型而进行的一个虚拟的制造和仿真的过程，基于虚拟样机技术建立的工程化制造开发模 型，设计人员可以访问一个实际物理模型的所有关于机械、物理、外观和性能的有关信 息1 6 1 。m i t c h e l l m t s e n g p 等人将虚拟样机定义为取代实际产品模型的一种数字模型，通 过它可以对实际的物理产品进行几何、功能和可制造性方面的建模和分析。 国外学者综合客观的市场需求及高速发展的计算机图形技术和计算力学技术，虽然 从不同的研究领域提出了虚拟样机的不同定义，但其共性是：虚拟环境下模拟产品的真 2 第一章绪论 实性能，早期发现设计、制造乃至运行过程中的各类问题的潜力，才是虚拟样机技术越 来越受到高度重视的根本原因。 虚拟样机技术。州是一种新的设计制造技术，它是在计算机技术基础上发展起来的， 融合了信息、仿真、制造等技术，是用于产品全周期设计的、能够模拟真实产品的外观、 功能和行为的计算机仿真模型的数字化设计方法。它允许工程师在计算机内对产品进行 虚拟建模，并进行性能分析、测试和评估，这些活动可以灵活、并行地进行，从而代替物 理样机进行试验，完成产品的快速研制，使产品的性能达到最佳。它贯穿在整个设计过程 当中，以并行方法学为基础，为产品的概念设计、方案论证、模型验证设计等提供强有力 的技术手段。所以，虚拟样机是解决复杂机械系统各种问题的手段之一。 虚拟样机是将被设计或研发的物理样机的行为与过程在计算机中以数字化的形式 预以“虚拟 。象任何一类种新技术一样，虚拟样机技术从无到有，从单一领域，到复 合领域，其发展速度非常之快州。虚拟样机技术作为一种新的技术，是以计算机为载 体而应用的。随着计算机性能的提高和广泛应用，使得虚拟样机技术在各个领域都有广 泛的应用。 我国研究人员在对国外不同领域虚拟样机定义研究和总结的基础上，也提出了几种 虚拟样机的定义，典型的有：文献“协同虚拟样机技术 一文认为虚拟样机是一种新 型的基于一体化产品和过程开发策略的新的设计、开发手段。虚拟样机以建模仿真理论 为指导，将计算机仿真技术、现代管理理论、系统工程方法、信息建模技术和计算机支 持工具等有机地结合起来，为产品的全寿命周期设计和评估提供支持，从而达到降低成 本、提高效率的目的。 目前在国外，虚拟样机技术主要应用在航空航天、飞机、汽车、轮船等复杂、大型 产品的研制中，而应用虚拟样机技术的国家主要是一些经济较发达国家，如美国、德国、 日本、英国等，而虚拟样机技术研究机构主要集中在大学里，例如美国的华盛顿大学、 爱荷华大学等。为什么会出现这样的情况呢? 这是因为产品的结构越复杂，对产品的性 能要求越高，虚拟样机越能发挥它的潜在的优势。这些国家工业化越高，而虚拟样机技 术的实施，必须以电子计算机为载体，而能够实施虚拟样机技术的条件越成熟，因此才 出现上述集中现象。 因此，从企业应用的角度看，应用虚拟样机技术的一般是一些大型的企业。比如航 天业公司、汽车制造业公司、铁路产品制造业、船舶制造业等工业企业。应用得较为出 色的企业主要有波音、通用、福特、丰田、本田以及奔驰等大企业公司等。这些企业有 许多应用虚拟样机技术的成功案例，其中，大众公司采用虚拟样机技术后，产品研制周 期从原来的6 0 个月缩短为2 4 个月；而波音公司在研制“波音7 7 7 飞机 时，在飞机设 大连交通大学t 程硕士学位论文 计过程中全部采用虚拟样机技术，减少了设计更改次数，更重要的是减少了9 4 的研制 费用，提高模具设计精度1 0 倍，研制周期降低5 0 ，而且确保了最终产品一次接装成 功。 我国在该领域已经取得了初步的研究成果。尽管，国内虚拟样机技术的应用研究并 不深入，一些大学和科研院所对虚拟样机的研究多停留在框架与概念上，但是随着我国 市场化推进速度的加快，产品在市场中的竞争日趋激烈，虚拟样机技术的需求明显增加。 虽然我国的虚拟样机技术尽管整体上与国外相比还有很大差距，属于起步阶段，但是， 象任何一个好的技术一样，在各个领域内，虚拟样机必将成为设计、运行、试验、技术 验证的主要技术手段之一。 从我国铁路发展的过程来讲，无论从国外铁路的大发展趋势，还是从国内十五计划 的发展规划来看，支持产品技术进步的虚拟样机技术在我国铁路机车车辆行业的确获得 了施展其潜能的好机会。 虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖，而只需通过计算机技术建立产品 的数字化模型( 即虚拟样机) ，就可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而 获得最优设计方案。不但减少了物理样机的数量，而且也缩短了研发周期，提高了设计 质量。采用虚拟样机设计方法可以在产品的概念设计阶段迅速地分析( 如产品的强度、 刚度分析) 、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产 品、预测产品在真实情况下的特性，直到获得最优性能。 目前公认的复杂产品虚拟样机结构框架是由五个分系统组成：设计分系统、仿真分 系统、试验分系统、管理分系统、支撑分系统。理论上，这五个分系统相互依存，有机 结合，缺一不可，但是从实现的难度上看，最难的应该是性能仿真分系统，同时，它也 是虚拟样机最核心的技术。这里所说的性能仿真，即为c a e 。c a e 是英文c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g 的缩写，即计算机辅助工程。c a e 的着力点不是产品的几何，而是产品性 能的分析、评估、优化。由于产品的复杂性，这种分析、评估、优化不得不借助基于计 算机技术的数值方法，c a e 已经成为一个独立的概念，并且还成了为虚拟样机的核心技 术。性能仿真首先是对产品进行抽象、简化，然后将外载荷合理的简化施加在模型上， 是后续工作的基础。后面的大量的工作都是以这个仿真的模型为对象。c a e 性能仿真技 术更能获得更本质的效益，这是产品的性能更重要，因为产品的几何造型必定要服务于 产品的性能要求。尤其是对铁路产品，成为制约国民经济发展的“瓶颈 ，铁道部多次 的大提速，就是为了适应经济发展的需要。这时，对产品的性能要求就越来越高。也就 是对产品内在的质量要求高了。而性能仿真是对产品的性能进行模拟分析。其次，虚拟 样机c a e 性能仿真技术与物理样机的样机试验有深层次的互补性，在某些特殊情况下， 4 第一章绪论 甚至还能实现物理样机试验不能实现的功能。尤其在铁路产品设计生产中，由于产品运 用的环境是特定的轨道，这样车辆的外形就有一定的限制。而产品的性能要求就在相对 的条件下比较高了。 1 3 研制7 0 t 级新型通用敝车的意义 为实现铁道部“以扩能为中心，推行重载运输，提高铁路运输能力 的战略目标， 为了满足我国铁路重载运输的要求，实现铁路跨越式发展，根据我国铁路货运提速战略 的要求，铁路货车的运行速度和载重将逐步提高。 在铁路跨越式发展的战略指导下，为快速提升铁路货运能力，解决制约国民经济发 展的“瓶颈”问题，齐车公司将要研制开发7 0 t 级通用敝车，采用4 5 0 m p a 高强度耐大 气腐蚀钢等措施，单车载重量较c 6 4 型敞车增加l o t ，载重能力提高1 6 7 ，按照每天 装车1 0 万辆计算，每天可增加运能1 0 0 万吨，年增加运能3 6 亿吨；同时，在既有站场、 线路条件下即可开行5 0 0 0 t 列车，节约了大量站场改造费用。该车的研制成功标志我国 铁路货车实现了由6 0 t 级向7 0 t 级的升级换代，也为其它各型货车的升级换代奠定了技 术基础。 1 4 论文的主要工作 在本章的讨论中，我们已经明确指出：虚拟样机技术有助于摆脱对物理样机的依赖， 通过计算机技术建立产品的数字化模型( 即虚拟样机) ，可以在产品设计阶段完成无数次 物理样机无法进行的虚拟试验，而基于这种试验与比较，可以最经济有效地获得最优方 案，这既能减少物理样机的数量、降低产品开发成本，而且还能缩短研发周期、提高产 品质量，提高企业的创新能力、竞争能力和经济效益。而虚拟样机技术应用中产品的抗 疲劳设计更是不可缺少的重要环节。基于这一背景，本文将基于虚拟样机技术进行通用 敞车的抗疲劳设计。本论文主要包括以下几个部分： 第一部分足介绍虚拟样机技术的相关理论：首先足疲劳寿命预测的理论基础，其中 介绍了疲劳载荷、材料的s - n 曲线、m i n e r 线性累积损伤理论；然后是有限元法的理论 基础，其中主要介绍了有限元法的理论基础、基于有限元法的强度及刚度分析、基于有 限元法的疲劳寿命预测。 第二部分是介绍性能仿真中建模的若干原则：先以交叉杆为例说明合理的简化模型 的重要性，然后叙述了选择合适的单元、边界条件的选择以及如何查找模型中的错误。 大连交通大学t 程硕士学位论文 第三部分主要介绍了基于a a r 标准的疲劳寿命预测技术，这一部分主要介绍了包括 a a r 标准中的抗疲劳设计的技术路线和方法以及基于从r 标准二次开发的焊接结构疲劳 寿命预测软件所包括的4 个模块。 第四部分主要进行了7 0 t 级新型通用敞车抗疲劳设计，这一部分主要包括了，依据 t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范对模型进行了细致的静强度分析、 模态分析。根据静强度分析结果和结构的焊接形式，确定该车体较易出现裂纹的部位。 其次，根据有限元静强度分析结果，以a a r 标准中各类载荷谱为依据，从而获得时间 历程动态应力，然后以a a r 标准中各类焊接接头材料特性曲线，再基于m i n e r 损伤累 积理论，对7 0 t 级新型通用敞车车体关键部位的焊缝位置进行了抗疲劳设计。最后，在 样车制造后，根据其静强度试验结果同样用a a r 标准的载荷谱，作疲劳寿命预测，并 与根据有限元分析结果作出的寿命预测相对比，薄弱部位基本一致。说明基于虚拟样机 技术的抗疲劳设计是有重要意义的，也是可行的。 6 第二章相关的理论基础 第二章相关的理论基础 上面章节已经指出虚拟样机技术是抗疲劳设计的技术依托，本章将详细介绍虚拟样 机技术的相关的理论基础。包括两个部分：疲劳寿命预测的理论基础和有限元法的理论 基础。 2 1 疲劳寿命预测的理论基础 疲劳是指材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累计损 失，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。疲劳寿命是指结构或机械 直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。本小结主要介绍疲劳载荷、材料的s - n 曲线 以及m i n e r 线性累积损伤理论原理。 2 1 1 疲劳载荷 使零部件发生疲劳破坏的动载荷称为疲劳载荷。疲劳载荷可分为两类，一类是其大 小和正负方向随时间周期性变化的载荷称为交变载荷：另一类是大小和正负方向随时间 随机变化的载荷称为随机载荷。交变载荷又称为循环载荷，是最为简单和基本的疲劳载 荷形式。所研究结构部位因交变载荷引起的应力称为交变应力。 图2 1 ( a ) 是一个典型的交变应力一时间的变化历程。图中循环应力的大小和正负 方向( 拉压) 随着时间的变化而作周期性的变化。一个周期的应力变化过程称为一个应 力循环。应力循环特点可用循环中的最大应力0m a x 、最小应力0m i n 和周期t ( 或频率 f _ 1 t ) 来描述。因为最大应力和最小应力的绝对值相等而正负号相反，故称这种交变 载荷为对称循环应力。典型的循环载荷如圆轴类杆件的旋转弯曲、轴向拉压和平板零件 的双向弯曲等，都可以在零件的表面或内部产生这样的交变应力。另外，轴类零件的双 向扭转也可以产生类似的交变应力。 丽八曛矶胭 f 幽 图2 1 ( a ) 对称循环交变载荷 f i g 2 1 ( a ) s y m m e t r i c a lc i r c u l a t i o na l t e r n a t i n gl o a d 隔瓜玑 v a vvv v 、 图2 1 ( b ) 不对称循环交变载荷 f i g 2 1 ( b ) a s y m m e t r i c a lc i r c u l a t i o na l t e r n a t i n gl o a d 7 大连交通大学工程硕十学位论文 在疲劳载荷的描述中经常使用应力幅oa ( 也称为应力振幅、应力幅度) 的概念， 定义如下式( 2 1 ) ： 仃。：& 凸 4 2 上式中应力幅oa 反映了交变应力在一个应力循环中变化大小的程度， 发生疲劳破坏的根本原因。 另外一个重要参数是应力范围ao ，定义如下式( 2 2 ) ： a c t = 吒嗽一q 血= 2 0 - ( 2 1 ) 它是使金属构件 ( 2 2 ) 当研究的部位除承受有动载荷外，还有静载荷分量时，动静载荷的共同作用下的应 力一时间变化曲线如图2 1 ( b ) 所示。此时的载荷时间一变化曲线相当于把图2 1 ( a ) 的对称循环应力曲线向上平移一个了静应力分量。这种循环载荷称为不对称循环载荷， 并用最小应力与最大应力的比值r 来描述循环应力的不对称程度，r 称为应力比，有时 又称为不对称系数，即： r ：旦监( 2 3 ) 盯懈 由定义可知，当r ：- i 时的循环应力即为对称循环应力，当r 一1 时统称不对称循环应 力。其中，r = 0 时为拉伸脉动应力，r 一时为压缩脉动循环。循环应力中的静载分量 通常称为平均应力，用om 表示，可由下式( 2 4 ) 求出： 仃。：o m _ a x + - o 一m i n ( 2 4 ) 静载分量或平均应力对构件的疲劳强度有一定的影响。压缩平均应力往往提高构件 的疲劳强度，而拉伸平均应力往往降低构件的疲劳强度。因此，在疲劳强度和疲劳寿命 的研究中，给定一个循环应力水平时，需要同时给出应力幅o 。和应力比r ，或者同时 给出最大应力om 瓢和平均应力om ，也有时直接给出最大应力om 默和最小应力om i n 来 表示循环应力水平。 由以上各式可知，在应力幅、平均应力、应力比、最大应力和最小应力的参数中， 只要已知其中的两个便可求出其它参数。如当己知o 。、r 时，其它参数便可由下式得到： 2 仃一2 两吒 仃曲= 兰吼 ( 2 5 ) 1 + r o m 乾两仃a 8 第二章相关的理论基础 或者已知或o 。、om 时，最大应力om 馘和最小应力om i i l 可由下式得到： 5 吒+ ( 2 6 ) o r a i n5 一吒 2 1 2 材料的s n 曲线 材料所承受的应力水平( 用s 表示) 与该应力水平下发生疲劳破坏时所经历的应力 循环次数( 用表示) 的关系曲线称为s 曲线。因为这种曲线为德国人w o h l e r 首先 提出，所以又称为w o h l e r 曲线。通常试样的疲劳寿命取决于材料的力学性能和施加的 应力水平，一般情况下，材料的强度极限越高，外加的应力水平越底，试样的疲劳寿命 就越长；反之，疲劳寿命就越短。图2 2 提供的材料s - 曲线，纵坐标表示最大应力， 用s m a x 表示；横坐标表示应力循环次数，常用m 表示。为使用方便，在双对数坐标系 下洲曲线被近似简化成两条直线，但也有很多情况只对横坐标取对数。 聋 g 翻 3s i s e n e 图2 2 材料的洲曲线 f i g 2 2s - nc u r v eo fm a t e r i a l l o g n 图2 2 中：n e 表示无限寿命疲劳极限循环次数，s - n 曲线上n e 所对应点s e 即为 理论疲劳极限值。当实际应力水平s m a x 小于理论疲劳极限值s e 时，由于这种应力水平 引起的疲劳损伤数值较小，可以忽略不计，这种设计也就是疲劳设计理论中规定的无限 寿命设计方法。当实际应力水平s m a x 大于理论疲劳极限值s e 时，会引起材料的疲劳损 伤，这时要对所引起的疲劳损伤进行累计，这种设计也就是疲劳设计理论中规定的有限 寿命设计方法。材料的s - n 曲线中疲劳极限s e 获得的方法是在对称循环应力下，即应 力比r 1 时，在试验室中对小尺寸试样进行疲劳试验所获得的。 9 大连交通大学工程硕+ 学位论文 2 1 3m ir l e r 线性累积损伤理论原理 金属疲劳累积损伤的假说多达数十种，但其中最简单、适用的是m i n e r ( p a l m g r e n - - m i n e r ) 线性累积损伤理论，习惯称之为线性累积损伤理论。m i n e r 理论认为材料的疲劳 破坏是由于循环载荷的不断作用而产生损伤并不断积累造成的，疲劳损伤累积达到破坏 时吸收的净功w 与疲劳载荷的加载历史无关，并且材料的疲劳损伤程度与应力循环次 数成正比。设材料在某一等级应力下达到破坏时的应力循环次数为n 1 、经n 1 次应力循 环而产生疲劳损伤吸收的净功为w 1 ，根据m i n e r 理论有： 一啊 矿 l ，7 、 v - “， 则在i 个应力水平级别下分别对应1 1 i 次应力循环时，材料疲劳累积损伤为： d ：f 旦 - 。 ( 2 8 ) 上式中，1 1 i 表示第i 级应力水平下经过的应力循环数；n i 表示第i 级应力水平下的达到 破坏时的应力循环数。m i n e r 线性累积损伤理论认为，每种给定的具体结构都具有一定 的抵抗疲劳破坏的能量，当结构型式确定后，如某种焊接接头型式，那么该结构所具有 抵抗疲劳破坏所储存的能量d c 是一个常量。也就是说：抗疲劳破坏能量眈= 口兰c o n s t 。 在结构受到疲劳载荷作用下，当这种载荷引起的动应力大于该结构的疲劳极限时就 会引起一定的能量损伤，当这样的损伤值累计到结构所具有的能量d c 时，结构将引起 疲劳破坏。 d ：旦+ 垒+ ：l 经大量实验证明，m i n e r 线性累积损伤 - z 时，认为被评估对 象开始产生疲劳破坏。 应该指出m i n e r 线性累积损伤理论没有考虑加载顺序的影响，同时，m i n e r 线性累 积损伤理论成立的前提是循环加载过程中不存在明显的循环硬化或循环软化现象，并且 循环加载过程中，相邻加载级间不存在明显的迟滞或加速效应。m i n e r 线性累积损伤理 论只是一种近似理论，但是，由于该理论简单便于利用，在工程上得到了广泛应用。 2 2 有限元法的理论基础 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互 联结在一起的单元的组合体【l4 。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又 可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方 l o 第二章相关的理论基础 法的另一个重要特点【1 8 】是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域 上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结 点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及 其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限 自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数 计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。显然随着单元数 目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度数的增加及插值函数精度的提高， 解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。 当前的有限元法是以位移为基本未知数，依据变分原理中的最小势能原理来建立有 限元求解方程的。其基本思路是：将计算对象进行离散，然后研究结点的平衡，最后， 利用插值技术获得域内解。下面以弹性力学平面问题为例，给出有限元法的算法原理。 首先，将连续体划分成有限个单元，单元之间由结点互相连接，不同单元的结点有 不同的结点自由度。对于弹性力学平面问题，则单元内任一点( x ，y ) 的位移 ( x ，y ) ，v ( x ，y ) ) 的插值公式总可以写成 u ( x ，y ) = m ( x ，y ) l 如川：圭帅川u 射。d q 9 f j 式中u ( x ，y ) ，v ( x ，y ) 分别代表点( x ，y ) 在x 和y 方向的位移，u ，一分别代表单元结点i 的位移，m ( 石，力代表插值形状函数，称之为位移形函数，它实现了用结点位移表示单 元内位移的插值联系。单元结点上的位移是“有限”的，单元内的位移点是“无限”的，正 是式( 2 9 ) 中的插值形状函数建立了二者之间的联系。 弹性力学平面问题的几何方程给出了位移与应变之间的几何关系： 抛加锄加 ，2 瓦y2 万1 砂2 一o y + 一o x 2 1 0 ) 将式( 2 9 ) 代入式( 2 1 0 ) ，可得式( 2 1 1 ) ： 8 = b d ( 2 1 1 ) 式中，称之为应变向量，d 称之为单元结点位移向量，b 称之为几何矩阵，它是对位 移形状函数求导数得到的。式( 2 1 1 ) 实现了用结点位移表示单元内任一点处的应变。 另外，弹性力学平面问题的物理方程( 广义虎克定律) 1 9 1 给出了应变与应力之间的物理 关系： 盯= e e( 2 1 2 ) 大连交通大学工程硕士学位论文 式中a - - ，盯yl x y ) r 称之为应力向量，e 称之为弹性矩阵，它取决于材料的物理特性，对 各向同性材料的平面应力问题， e = 寿1一“2 1 l l 1 00 0 o 1 一 2 ( 2 1 3 ) 式中e 是材料杨氏模量，是波松比。将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) ，于是 仃= e b d( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 )