（光学工程专业论文）crh3型高速动车组转向架抗疲劳能力研究.pdf

摘要 摘要 随着我国铁路第六次大提速的顺利实施，以及客运专线不断建成通车，国产c r h 系列2 0 0 - - 一3 0 0 k m h 动车组已分期分批投入运营。转向架是高速动车组的走行机构，必 须始终保持良好的性能状态，才能保证高速列车的安全可靠运行。由于高速动车组技术 复杂，价格昂贵，如何减少动车组检修库停时间，增加走行公里数，提高运营效益，是 各国高速铁路运营所追求的共同目标。铁路车辆的疲劳事故不断发生，关键部位疲劳断 裂一旦发生，将产生非常严重的后果。车辆疲劳问题的解决是铁路安全运输的迫切需求。 本文在对国内外关于焊接结构疲劳及铁路车辆疲劳寿命预测研究现状及焊接结构 疲劳寿命预测的基本理论和方法的基础上，鉴于目前铁路车辆焊接结构的疲劳评价标准 较少，且美国a a r 标准仅是针对铁路货车制定的。在进行虚拟疲劳试验中，引入了工程 上广泛应用的国际焊接协会i i w 标准和英国b s 标准，以及写入2 0 0 7 版a s m e 锅炉及压力 容器标准结构应力法，并且a p i a s m e 合于使用性评定标准中均推荐将该方法应用于焊 缝疲劳分析。并介绍了各个标准及方法的理论基础及计算原理，并从理论上对各种理论 方法进行了对比，得出各个方法的优势与劣势。 本文以c r h 3 型高速动车组转向架焊接构架为研究对象，首先根据u i c 力h 载标准，对 该转向架进行了静强度计算，然后应用g o o d m a n 曲线、国际焊接学会i i w 标准、英国b s 标准以及结构应力法对该转向架进行疲劳寿命预测，并分析了这几种评定方法的特点及 应用范畴，最后根据这几种计算结果进行了比较，得出结构应力法相对其他方法在理论 和实际应用中均有明显的优势，应该得以推广。 本课题得到铁道部科技研究开发计划重点课题大轴重机车车辆技术研究一大轴重 货车焊接结构焊缝疲劳寿命研究与应用( 课题号：2 0 0 9 j 0 0 5 c ) 的资助。 关键词：动车组转向架；i i w b s 标准：结构应力法；疲劳寿命预测 大连交通大学1 j 学硕十学何论文 a b s t r a c t a sc h i n a sr a i l w a yt h es i x t hs p e e du pw a sc a r r i e do u t ，a sw e l la st h ep a s s e n g e rs p e c i a l l i n ew a so p e n e dt ot r a f f i cc o n t i n u o u s l y ，d o m e s t i cc r hs e r i e so f2 0 0 3 0 0 k m he m u sh a v e b e e np u ti n t oo p e r a t i o ni ns t a g e s b o g i ei st h eh i g h s p e e de m u s t r a v e l i n ga g e n c y ，s oi no r d e r t oe n s u r et h eh i g h s p e e dt r a i no p e r a t i o ns a f e l ya n dr e l i a b l y ，i tm u s tb ea l w a y sm a i n t a i n e da g o o dp e r f o r m a n c es t a t u s a st h ee m u s t e c h n o l o g yi sc o m p l e xa n de x p e n s i v e ，h o wt or e d u c e t h et i m et oo v e r h a u la n di n c r e a s et h et r a v e l i n gm i l e a g e ，i m p r o v eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c y ，i st h e c o m m o ng o a lf o re a c hc o u n t r i e s r a i lv e h i c l ef a t i g u ea c c i d e n t sc o n t i n u et oo c c u r ，o n c et h e k e yp a r to ff a t i g u ef r a c t u r eo c c u r s ，i tw o u l db r i n gv e r ys e r i o u sc o n s e q u e n c e s t h es o l u t i o no f v e h i c l e sf a t i g u ep r o b l e mi sap r e s s i n gn e e df o rt h es a f e t yo fr a i lt r a n s p o r t i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h es u m m a r yo ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d i e so nt h ew e l d e d s t r u c t u r ef a t i g u ea n dt h er a i lv e h i c l e sf a t i g u el i f ep r e d i c t i o n ，硒w e l d i n gs t r u c t u r es t a n d a r do f r a i lv e h i c l e s f a t i g u ee v a l u a t i o ni sr a r e l yf o u n d 。a n dt h eu n i t e ds t a t e s a a rs t a n d a r di so n l y d e v e l o p e dt o u s ei nr a i l w a yw a g o n ，s ot h a ti nt h ev i r t u a lf a t i g u et e s t ，t h ew i d e l yu s e d i n t e r n a t i o n a lw e l d i n ga s s o c i a t i o ns t a n d a r di i wa n dt h eb r i t i s hs t a n d a r db s ， a sw e l la st h e w r i t t e nv e r s i o no f2 0 0 7b o i l e r sa n dp r e s s u r ev e s s e l sa s m es t a n d a r d ss t r u c t u r a ls t r e s s m e t h o da r ei n t r o d u c e d a n dt h ea p i a s m ec o m b i n e dt h eu s eo fe v a l u a t i o nc r i t e r i aa r e r e c o m m e n d e dt h i sm e t h o ds h o u l db ea p p l i e dt ow e l df a t i g u ea n a l y s i s a n dd e s c r i b e dt h e t h e o r e t i c a lb a s i sa n dc a l c u l a t i o np r i n c i p l eo fv a r i o u ss t a n d a r d sa n dm e t h o d s ，a n dc o m p a r e d v a r i o u st h e o r e t i c a lm e t h o d si nt h e o r y ，a n dg e tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c h m e t h o d i nt h i sp a p e r ，t h ef r a m eo fh i g h s p e e de m u sc r h 3w e l d e db o g i ea sae x a m p l e ，f i r s t l y a c c o r d i n gt ou i cl o a d i n gc r i t e r i a ，c a l c u l a t e ds t a t i cs t r e n g t ho ft h eb o g i e ，a n dt h e na p p l yt h e g o o d m a nc u r v e ，i n t e r n a t i o n a li n s t i t u t eo fw e l d i n gi i ws t a n d a r d s ，t h eb r i t i s hb ss t a n d a r d s a n dt h es t r u c t u r a ls t r e s sm e t h o dt op r e d i c tt h ef a t i g u el i f eo ft h ef r a m eo ft h eb o g i e ，a n d a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o na r e a so ft h e s et y p e so fa s s e s s m e n tm e t h o d s ， f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i n gr e s u l to ft h e s em e t h o d s ，w e c a l lg e tt h es t r u c t u r es t r e s s m e t h o dh a sac l e a ra d v a n t a g ec o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s ，s oi ts h o u l db ew i d e l yu s e da n d r a p i d l yd e v e l o p e d k e yw o r d s ：b o g i ef o rc r h ；i i w b ss t a n d a r d ；s t r u c t u r es t r e s sm e t h o d ；f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o n 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，也不包含为获得太整塞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，由本人承担一切相关责任。 碳一 耘 年 签 ， 利 哆 作 彬 舴 论 ： 位 期 学 日 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整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 知识产权单位属太董銮通太堂，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董塞通太堂。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。 本人授权太整塞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 、 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： 日期：3 o - 0 夕年陟月侈日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 刷醛钮鳓 魄? 7 每h 彬甚 电话： 邮编： 第一章绪 硷 第一章绪论 随着我国现代经济的快速蓬勃发展，为提高铁路运输能力，铁路车辆正在向高速重 载方向发展，与此同时，车辆结构疲劳现象也在逐步增多。由于疲劳裂纹的形成和扩展 的隐蔽性很大，而疲劳断裂时又具有瞬时性，因此避免车辆结构疲劳破坏已成为一个亟 待解决的研究课题。 1 1 疲劳发展概况 疲劳( f a t i g u e ) - - 词最先起源于拉丁文“f a t i g a r e ”这个词，其含义是“疲倦”。但是它在工 业上表达的意义却是材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。 对金属疲劳进行的最初研究和试验历史可以追溯到1 9 世纪初叶。1 8 2 9 年，德国采 矿工程师w a j a l b e r t 利用矿山卷扬机焊接链条进行了疲劳试验，并提出了第一份疲劳 研究的报告。十年后，法国工程师j v p o n c e l e t 首先采用了“疲劳( f a t i g u e ) j 塞_ - - 术语用 来描述“材料在交变载荷下承载能力逐渐耗尽以至最终断裂的破坏过程 。接着，英国 人w j m r a n k i n e 在1 8 4 3 年发表了第一篇疲劳论文一关于机车车辆的疲劳破坏问题。 在欧洲，伴随着铁路的兴起，德国工程师w h o l e r 根据他在1 8 5 2 年至1 8 7 0 年十几年间 的试验研究，以铁路车辆的车轴为例，说明了钢铁材料在重复载荷作用下的强度要比静 载强度低得多，疲劳寿命随着应力幅的加大而减小，而当应力幅低于某一特定数值时，。 即使循环次数再多，试件也不会发生断裂，并且他还指出，应力的幅值要远比应力的最 大值重要。他还首次提出了s n 曲线和疲劳极限的概念，把工作应力和疲劳极限联系起 来，为对疲劳的研究奠定了基础。 1 8 8 0 年c b a c h 在归纳总结了w o h l e r 研究工作的基础上发表了重要著作工程部件 一设计与制造，并且首次提出了工程部件的疲劳设计问题。1 8 8 9 年，法国工程人员编 写了一本关于钢筋混凝土在重复载荷所承受特性的书。j g o o d m a n 提出了关于平均应力 的简化理论。1 9 2 0 年，a a g r i f f i t h 又发现了玻璃发生脆性断裂时的名义应力s 和裂纹 尺寸a 的关系式。1 9 4 5 年m a m i n e r 在瑞典工程师a p a l m g r e n 于1 9 2 4 年提出的球轴承 疲劳准则的基础上发表了线性累积损伤准则，这个准则通常称为p a l m g r e n m i n e r 准则。 这个准则现在仍被广泛应用。虽然这个准则存在着一些缺陷，但是通过试验结果和理论 研究证明，在许多情况下，它仍然是一个合理而简便的方法。1 9 6 2 年的英国钢桥规范 b s l 5 3 列入按m i n e r 准则确定变幅应力作用下的设计应力的方法。1 9 7 4 年美国学者 l w f i s h e r 通过大量足尺寸焊接疲劳试验结果证明，影响疲劳的主要因素并不是最大应 力和应力比，而是应力幅。 大连交通人学i ：学硕卜学付论文 总之，上述研究者们的工作都极大地推动和发展了韦勒的经典研究工作，使人们对 疲劳问题的了解和掌握又向前迈了一大步。进入2 0 世纪初叶，人们开始用金相显微镜 对疲劳的发生机理进行探究，局部滑移线、滑移带和疲劳裂纹在光学显微镜下清晰可见， 金属晶体在循环应力下的滑移现象和疲劳裂纹的启裂自然而然地“走在了一起”，暂时性 地给疲劳破坏发生的原因做出了初步的回答。 2 0 世纪的3 0 至4 0 年代，汽车工业广泛采用“喷丸技术来解决车轴和弹簧经常发 生的疲劳破坏问题。苏联人谢先联推导出常规疲劳设计的计算公式，依据s n 曲线的水 平段进行无限寿命设计，根据s n 曲线的斜线段进行有限寿命设计。为解决变幅应力下 的有限寿命设计，美国科学家迈因纳( m a m i n e r ) 于1 9 4 5 年将帕尔姆格伦( a p a l m g r e n ) 提出的线性累积损伤理论公式化，形成了p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤法则，简称m i n e r 法。2 0 世纪的5 0 年代，疲劳研究主要产生了三大贡献：一是闭环控制的电液伺服疲劳 试验机的研制成功，为疲劳试验提供了模拟机器的实际使用工况，促进了疲劳试验的发 展；二是电子显微镜的问世，使人们能够观察到材料组织结构在疲劳载荷作用下的细微 变化，这样就给疲劳发生机制的研究开拓了新的领域；三是1 9 5 2 年美国国家航空和航 天管理局n a s a 刘易斯研究所的曼森( s s m a n s o n ) 和科芬( l e c o f f i n ) 在对大量试验数据 进行整理的基础上，提出了表达塑性应变与疲劳寿命之间关系的“曼森科芬方程”， 为对低周疲劳的研究奠定了基础。 1 9 6 1 年诺依伯对疲劳寿命的研究应用了局部应力应变方法，并提出了“诺依伯法 则 。1 9 6 3 年美国人帕里斯伊c p a r i s ) l 在断裂力学的基础上提出了著名的“帕里斯公 式 ，目的是用来表达裂纹扩展的规律以及说明与疲劳裂纹扩展相关的因素，如应力强 度因子、初始裂纹尺寸和疲劳循环次数( 疲劳寿命) 以及结构材料常数等，给其他探究者 提供了一个估算疲劳裂纹扩展寿命的新方法；其他探究者也在这个基础上发展出“损伤 容限设计”，从而使疲劳问题和断裂力学逐渐地结合在一起。接下来的6 0 年代，基于影 响疲劳问题因素的随机性和分散性，人们开始将统计学应用于疲劳试验和相关的疲劳设 计当中，美国材料与试验协会( a s t m ) 于1 9 6 3 年在e 9 疲劳委员会上发表了疲劳试验 与疲劳数据的统计分析指南一书。 1 9 7 1 1 年威茨( r m w e t z e l ) 在曼森科芬方程的基础上，提出了“局部应力应变疲劳设 计方法”，i 这种方法是根据应力应变分析来估算疲劳寿命。局部应力应变疲劳设计方法 很快就得到了广泛的认可和应用。1 9 7 9 年美国杜鲁门飞机公司则是已经正式采用该种方 法来估算零构件的疲劳寿命。在此期间，疲劳损伤容限设计和疲劳可靠性理论也都逐渐 地在疲劳设计中得到广泛应用和发展。 2 第章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，研究的重点则转移到在较复杂工作条件下的疲劳可靠性预测 模型的建立上，即对在变幅载荷、腐蚀环境、高低温及多轴应力状态等特殊环境下的疲 劳问题进行研究。国内对疲劳方面的研究还比较少，而且主要集中在理论研究和试验验 证上。赵永翔等人对应变疲劳可靠性分析以及随机疲劳极限的试验测定做了较多的研 究。姚卫星，尚德广，王德俊等人对多轴疲劳做了较深入的研究【m j 。 1 2 焊接疲劳发展状况 焊接结构是一种在联接金属结构中既有效而又经济的连接方式，是现代最主要的连 接方式，它既具有不削弱构件截面，节省材料，构造简单等优点，而又易于加工，连接 的密封性较好，刚度较大，更便于采用自动化生产等优点，因而广泛应用于许多工业领 域。但是由于在焊接过程中难免会伴随着各种缺陷，因而导致了焊缝是最薄弱环节，是 最容易发生疲劳破坏的地方，特别是焊趾处。正是因为焊接结构疲劳的特殊性，国内外 学者针对焊接钢结构的疲劳特点，在理论和试验方面给予了高度的重视，并取得了一些 研究成果。y u n g 和h w r e n c e 等【6 1 ( 1 9 8 5 ) 研究了焊缝局部几何形状对疲劳强度的影响， 并提出了最坏切1 2 1 的概念。n i u 和g l i n k a 掣7 1 ( 1 9 8 7 ) 研究了焊缝几何形状对裂纹应力强 度因子的作用，并且证明了焊缝几何尺寸对应力集中和应力强度因子有着显著的影响。 p a n 双1 9 9 3 ) 【8 】通过试验和有限元计算对比分析了十字形板接头焊趾角度与焊趾半径对应 力集中和应力分布的影响，从而得到了焊趾裂纹应力强度因子。m 馐m e w s ( 1 9 9 6 ) , 用试验方 法研究了错位量对十字形板接头疲劳强度的影响。l a z z a d n 和t c v o 等研究了焊缝几何 因素和焊趾附近的局部应力，并提出了用切口强度系数方法来分析焊接钢结构的疲劳强 度。m a t o s 等用本构特征方法和三维有限元法模拟了焊接钢架结构的残余应力，并得到 了表面裂纹的应力强度因子。a t z c f i 等研究了几何、残余应力对焊接钢结构疲劳强度的 影响，形成了确定焊接钢结构疲劳寿命曲线分散带的方法。t a l j a t 等采用数值方法来模 拟焊接的过程，研究焊接残余应力的分布规律。 p d o n g f 3 5 0 9 l 以材料力学的角度为出发点定义了应用于疲劳应力分析的应力，即结构 应力( s t n 】c t u r es t r e s s ) ，对不同类型的焊接构件进行了相应的结构应力定义，该应力的计 算方法可以在常用的有限元程序的后处理过程中所进行相应的数据得到实现。s e u n g h o 和b y u n g c h u ns h i n 则采用了实验方法和有限元法两种方法确定了五类焊接构件的应力集 中系数，将以名义应力所表述的s n 曲线转换成了以热点应力表述的s n 曲线，统一了 不同类型焊接构件的s n 曲线，并进行了一个实际工程应用中的焊接构件的疲劳设计： g m v o 咖w a i d 采用了有限元方法对汽车底盘焊接节点进行了热点应力分析，确定了疲 3 大连交通大学i ：学硕 ：9 位论文 劳危险位置和相应的热点应力幅，基于热点应力幅的构件疲劳寿命，该方法得到的疲劳 结果与实验所得到的结果相吻合。 李光新等通过对典型焊接构件焊缝的宏观、微观组织分析以及力学性能的测试，给 出了构件的疲劳强度不足主要是焊接过程中存在的未焊透，起弧处、熄弧处缺陷较多而 造成的。杨新岐等对几种局部法的基本原理、分析步骤及影响因素进行了比较分析，对 局部法研究现状及局部法研究目前所存在的问题进行了研究。张罡等利用低周疲劳单试 样步增量法，得到了2 0 9 钢的母材、焊缝和焊接接头试样的循环应力应变曲线及相关 低周疲劳性能参数，并且分析了焊接接头各区域组织对循环应力应变行为的影响 9 - 1 1 j 。 在上述文献中，焊接结构疲劳主要研究的是焊接接头局部，通过试验和仿真两种手 段对其疲劳寿命及其影响因素进行研究。然而对于铁路车辆，其承受的是随机载荷激励、 三维尺寸大、结构复杂，在试验台上对整体进行的疲劳寿命研究相当困难，因此，铁路 车辆整车的疲劳寿命试验研究目前还在探索。 1 3 车辆焊接结构研究状况 虽然铁路车辆疲劳研究的难度较大，成本较高，但是研究者们仍克服各种困难，并 且也取得了一批研究成果。 s h i n i c h ic h i b a ，k i m i h i k oa o y a m a 和k e n j iy a n b u 以卡车司机室为例，介绍了 通过多体系统动力学仿真分析获得司机室的输入载荷，并结合有限元分析进行了司机室 结构疲劳寿命预测【捌。多体动力学仿真采用m s c a d a m s 软件，有限元软件使用 m s c n a s t r a n ，疲劳寿命预测则采用f a l l a n c s 软件等，而得出的结论是考虑弹性 体模型的多体动力学仿真结果可以使得司机室的输入载荷具备足够精度，并且基于多体 仿真结果的应力历程可以使用在点焊和非点焊区域。 s u n g1 1 s e o ，c h o o np a r k ，k ih w a nl ( i m 主要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的测试方法。得出的结 论是直接利用结构静强度测试结果来研究车体结构疲劳结果是不够准确的，应该采用动 载荷测试方法。 r k l u o ，blg a b b i t a s 等利用有限元方法对地铁车辆转向架构架的疲劳寿命进行估 算1 2 7 。整个分析的过程可以分为以下五部分，包括：轨道不平顺的定义和测量；车辆建 模和轮轨外形描述：获得铁路车辆悬挂系统的载荷历程；车辆系统动力学仿真分析以及 构架的应力评估：转向架构架疲劳寿命评估。具体的分析主要过程包括以下几个步骤： 对车辆进行动力学分析并得到载荷谱，利用有限元方法对构架进行模态与静应力分析， 确定其薄弱部位，再根据动力学分析所得到的载荷谱，对确定的薄弱部位利用有限元方 4 第一章绪论 法进行瞬态动力学分析，从而得到其薄弱部位的应力谱，最后根据m i n e r 损伤累积理论 计算出其损伤比，最后利用动力学分析利用v a m p i r e 软件，并采用p a f e c 软件包对 转向架构架进行疲劳寿命计算，疲劳的有限元计算结果和实际运行车辆试验结果的对比 显示了良好的一致性。这种基于实际车辆轨道运行的转向架所进行的疲劳设计方法，证 明其在设计阶段的应用是可行的。 s t e f a nd i c t z 等根据货运机车转向架构架结构的轻量化设计，提出了一种承受随机动 载荷的结构疲劳寿命预测方法【2 6 1 。此方法可以有效节省计算机分析计算的时间。该法运 用计算机辅助设计，有限元方法和多体系统方法对货运机车转向架构架进行了疲劳寿命 的预测。该方法基本的分析过程是：通过多体仿真计算来得到作用在构架上的动态载荷。 为了考虑构架的柔性振动对整个机车动力学响应的影响，在动力学分析中将构架考虑成 柔性体来进行计算。对于运行在直线轨道上的转向架，将动力学运动方程考虑成线性关 系，此时的轨道激励主要是轨道不平顺而得到的功率谱；在产生较大动载的斜坡轨道或 是曲线轨道运行时，将动力学运动方程通过非线性微分方程进行仿真计算，这时的轨道 激励主要是轨道的随机不平顺。在得到载荷谱后，应用有限元方法得到其危险区域的应 力谱，最后运用雨流计数法和m i n e r 疲劳损伤累积法则得到其疲劳寿命。 西南交通大学米彩盈提出了b o b o 轴式机车转向架焊接轻型化评定准则，根据构 架整体结构，用边界元法来分析构架侧梁下盖板横向对接焊缝的应力分布，分析构架下 盖板产生疲劳裂纹原因。缪炳荣运用多体动力学与有限元法相结合的方法对机车车辆的 车体结构进行了疲劳寿命仿真预测。阳光武、曾仲谋等在各自的博士论文中将频域和时 域结合起来对机车车辆关键零部件的疲劳寿命进行了相关研列1 5 j 。 一 铁道部科学研究院王成国等在计算机虚拟的现实环境下，以计算机辅助设计，有限 元法和多体系统动力学软件为基础，对当前新型高速动车组转向架构架的疲劳寿命进行 分析1 1 2 1 。用多体系统动力学软件计算作用在转向架构架上的随机动载荷，再利用有限元 方法给出在动载荷作用下转向架构架上详细的动应力分布情况。根据这些动应力，应用 疲劳分析软件m s c f a t i g u e ，分析预测构架的疲劳寿命。 北京交通大学秦国栋等对提速动车组转向架的疲劳寿命实用方法及可靠性进行了 研究，刘志明对在随机载荷作用下焊接构架疲劳寿命及可靠性展开了较为系统的研究。 缪龙秀等对提速动车组转向架焊接构架应力谱的测试方法，疲劳危险点的位置的确定及 应力谱如何进行编制等进行了系统研究，吕澎民等根据概率统计理论以及疲劳损伤原 理，建立了焊接结构在随机载荷的作用下可靠性疲劳寿命的计算方法，运用实际测量的 载荷谱和焊接接头疲劳试验数据，以构架为实例进行了计算，并对恒幅载荷作用下的计 算结果对焊接转向架结构可靠性疲劳寿命的预测方法进行了较为深入的研究。 5 大连交通大学i ：学硕 ：学位论文 青岛四方车辆研究所刘德刚等以疲劳寿命的理论计算和疲劳试验两方面介绍了国 外在疲劳研究和应用领域的理论方法和技术手段，并以转s a 转向架侧架作为实例，介 绍了有限元技术应用于构件疲劳寿命分析的过程，并依据准静态分析法将有限元分析所 得到的静态应力与实际测量的载荷时间历程相结合从而得到模型上各点的应力时间历 程，结合z g 2 3 0 4 5 0 材料的s n 关系曲线，采用有限元软件i - d e a s ，疲劳分析软件 f e f a t i g u e 进行侧架结构整体的疲劳寿命计算【1 3 j 。 国内在汽车制造、飞机等其他领域，也对结构的疲劳寿命预测做了大量的研究工作。 如姚一龙、李遏和薛涛明等计算了汽车结构在不同类型路谱激励下的位移、加速度的动 应力响应。董保童等对随机振动载荷作用下的飞机结构疲劳寿命估算进行了研究【搏2 0 1 。 然而，从以上这些相关文献可以发现，对于机车车体这样大型复杂结构的疲劳寿命 预测尚缺乏较为系统的研究方法，特别是针对车体焊接结构疲劳寿命的预测研究得更 少，专门针对铁路车辆开发的适合实际工程应用的疲劳寿命预测方法及软件还有待进一 步研究。 1 4 转向架构架疲劳评定研究现状 机车车辆承载构架疲劳寿命的研究最早可以一直追溯到w h o l e r 的车轴疲劳试验， 已经有一百多年的历史。由于机车车辆各承载构件的疲劳强度将直接影响到列车的行车 安全，一直以来受着世界各国的高度重视。随着机车车辆向高速和重载方向的发展，车 辆结构的疲劳强度显得特别重要。北美铁路协会通过大量的调查研究以及相关的试验研 究，在a a r 标准中规定了车辆承载构件( 车轴、侧架、摇枕等) 的疲劳试验标准，该试验 标准是一种强制的试验标准。西欧各国则根据焊接结构的实际特点，制定了与实际较为 接近的u i c 规程。 法国和日本是世界上在高速铁路技术方面有极具代表性的两个国家，但是目前两国 对转向架构架的设计仍然采用耐久性的设计方法，即使设计许用应力较低于有关标准规 定的弹性极限和疲劳极限。由于平均应力影响着疲劳极限，一般采用g o o d m a n 等寿命 曲线图来表示。其中该曲线使用的应力是名义应力。 当前，我国提速、高速动车组转向架构架也都采用钢板焊接结构，这样大大降低了 结构的重量，很好的适应了高速运行对转向架重量的限制。在转向架焊接结构的疲劳没 计和试验过程中也是主要考虑名义应力对焊接结构的焊接接头的影响，评定方法也主要 使用名义应力法。这对于一般的焊缝形式是可以适用的，但是随着列车速度的不断提升 和结构形式的更加复杂，对接头的疲劳强度要求也越来越高，需要对细部结构，尤其是 6 第一章绪论 细节接头处进行更精确、更细致的分析，从而在保证结构疲劳可靠性的前提下，达到优 化结构设计，进一步提高使用寿命的目的。 1 5 本文主要内容 本论文是以c r h 3 高速动车组转向架构架为研究对象，利用有限元分析软件 h y p e r m e s h 建立该构架有限元模型，利用a n s y s 对该构架进行静强度计算，然后在此 基础上开展构架的疲劳寿命预测。具体研究内容介绍如下： 1 ) 在研究了疲劳的发展概况，焊接疲劳以及车辆焊接疲劳的发展概况，车辆转向架 疲劳评定的发展概况的基础上，研究了疲劳的相关理论，疲劳寿命分析的热点应力法， 疲劳寿命累积损伤理论，并着重研究了结构应力法，并对热点应力法和结构应力法进行 了理论上的比较。 2 ) 用有限元分析软件h y p e r m e s h 和a n s y s 对该构架进行有限元模型建立和静强度 计算。 3 ) 根据u i c 标准对该转向架进行加载，并利用基于名义应力法的g o o d m a n 曲线图 对该转向架构架进行了疲劳评估得出疲劳的安全系数，应用i i w b s 标准对该转向架构 架进行评估得到损伤比。 4 ) 根据u i c 标准对该转向架进行加载，应用结构应力法对该转向架构架进行疲劳寿 命预测，计算出循环次数并转化成损伤比，并对上述几种方法进行了比较。 本章小结 本章主要介绍了疲劳发展、焊接结构疲劳以及车辆焊接结构疲劳的概况，通过对国 内和国外的疲劳研究现状，结合国内铁路动车组转向架的发展需要，提出了本文主要的 研究工作。 7 大连交通人学下学硕十学位论文 第二章基本理论 2 1 疲劳理论 疲劳破坏指当材料或结构受到多次重复变化的荷载作用后，应力值虽然始终没有超 过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。疲劳裂纹一般都是 从构件表面发展起来的。裂纹从表面产生之后沿着垂直于主应力的方向发展，由于剩余 工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展，当裂纹扩展到使界面上的应力达到材料 的强度极限时，便发生了最终的瞬时断裂。 疲劳破坏的破坏形式与静荷载下发生的强度破坏截然不同，主要有以下特征： 1 1 在交变荷载作用下，构件中的交变应力在远低于材料拉伸强度极限条件下有可能 发生破坏。 不论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无显著塑性变形的脆 性断裂。 3 、) 疲劳破坏过程局限于局部区域，并不牵涉到整个结构的所有材料。 4 1 疲劳破坏是一个累计损伤的过程，要经历一定的时间，有时还很长。 2 1 1 热点应力法的基本原理 2 1 1 1 热点应力和热点应力法 热点应力指最大结构应力或“结构中危险截面上危险点应力”。焊接结构中热点一般 选在焊趾处，因为此部位最容易产生疲劳裂纹。热点应力呈线性分布，一般用外推方法 得到，如图2 1 所示。 热点应力由薄膜应力和弯曲应力两部分组成，是构件表面热点处薄膜应力和弯曲应 力之和的最大值，不包括焊趾处局部缺口引起的非线性应力峰值，这也是热点应力和缺 口应力( 即全部应力) 的区别。焊接结构的热点一般在焊趾处，是疲劳裂纹的起源部位。 热点应力的组成如图2 2 所示。 8 第二：章基本理论 总应力1 热点应力+ j 测量点 力 图2 1 热点应力定义 f i g 2 1d e f i n i t i o no fh o ts p o ts t r e s s 其公式为： 唱略 图2 2 热点应力的组成 f i g 2 2c o m p o s i t i o no f n o t c hs t r e s s - + 吒( 2 1 ) 5 ；j ：q o ) 出 ( 2 2 ) = 詈上q o ) 出一 ( 2 3 ) 式中：o 。为热点应力；o 为构件表面热点处的薄膜应力；o 。为构件表面热点处 的弯曲应力。 焊接结构中热点一般选在焊趾处，因为此部位最容易产生疲劳裂纹。热点应力法可 以大大地减少需要试验的次数，且焊缝几何应力集中可以比较容易地用有限元的方法计 算。热点应力法结合有限元分析进行疲劳问题评估，方法有效，结果精确，受到越来越 多的关注。热点应力法是当前应用最多的方法。热点应力法是基于下述假设形成的： 1 ) 所有构件的s - n 曲线数据的斜率是相同的，各曲线之间在相同n 下的l g s 韵比值 反映了不同节点之间结构几何形状的差别： 2 l 局部疲劳破坏同节点类型无关，节点之间疲劳特性的差别是由于结构几何形状不 同引起的； 3 1 热点应力集中系数能够反映结构几何形状的差别【2 2 1 。 2 1 1 2 热点应力的外推公式 热点应力近似线性分布，一般用外推的方法得到。为避开非线性应力峰值的影响， 外推测量点应该距离焊趾有足够的距离( 不小于4m m ) ，一般在距离焊趾0 4 t ( t 为板的厚 度) 处，因为此处非线性应力峰值基本消失，外推点应该从这个位置开始。外推方法对 热点应力的影响不很明显，一般焊接接头可采用国际焊接协会推荐的两点线性外推方 法。 国际焊接学会( i i w ) 推荐的外推方法： 9 大连交通犬学i ：学硕+ 学位论文 a 在距离焊趾0 4 t ( t 为板厚) 和1 o t 处测量应力值( 见图2 3 ) ，进行两点线性外推： ( = 1 6 7 c r 0 4 l 一0 6 7 0 , 甜( 2 4 ) b 在距离焊趾0 4 t 、0 9 t 和1 4 t 处测量应力值，进行三点二次外推： ( k = 2 5 2 0 o m 一2 2 4 0 0 9 f + 0 7 2 0 , 甜( 2 5 ) c 在距离焊趾0 5 t 和1 5 t 处测量应力值( 见图2 4 ) ，进行两点线性外推： d 0 - 1 5 0 0 曩一0 5 0 1 &( 2 6 ) d 在距离焊趾0 5 t 、1 5 t 和2 5 t 处测量应力值，进行三点二次外推： d 0 - 1 8 7 5 c r o 盅- 1 2 5 c r l & + 0 3 5 7 c r 2 5 i( 2 7 ) 外推方法对热点应力的影响不很明显，一般焊接接头可采用国际焊接学会推荐的两 点线性外推方法；要求精度较高可以采用三点二次外推方法。 应力l 一咖勤 乙 竺乏囊 l 在埘 。最藏斑力 i 髓n 成办 l j 厂； 图2 3 国际焊接学会推荐热点应力线性外推示意图图2 4 热点应力外推 f i g 2 3s k e t c hm a po fl i n e a re x t r a p o l a t i o nf o rh o ts p o tf i g 2 4e x t r a p o l a t i o no fh o ts p o ts t r e s s r e c o m m e n db yl l w 2 1 2 疲劳累积损伤理论 疲劳累积损伤理论是疲劳分析的理论基础，也是估算变应力幅值下的安全疲劳寿命 的关键理论，非常重要。在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹形成和扩 展中，当材料承受高于疲劳极限的应力时，每个应力循环都会使材料产生一定的损伤。 不同研究者根据损伤累积方式的不同假设，提出不同的疲劳累积损伤理论，已提出的疲 劳累积损伤理论有数十种之多，具有代表性的疲劳累积损伤理论可分为四类【l j ： ：1 ) 线性疲劳累积损伤理论。假定材料在各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行的， 总损伤可以线性叠加。其中最有代表性的是p a l m g r e n m i n e r 法则，以及将其修正的m i n e r 法则和相对m i n e r 法则。 2 ) 9 2 线性疲劳累积损伤理论。认为材料在疲劳初期和后期分别按照两种不同的线性 规律积累，代表性的是m a n s o n 双线性损伤累积叠加法则。 1 0 第二：章基本理论 3 l 非线性累积损伤理论。这些理论假定载荷历程和损伤之间存在相互干涉作用，即 各个载荷所造成的疲劳损伤与其以i ； f 的载荷历史有关，其中最有代表性的是损伤曲线法 和c o r t e n d o l a n 理论。 4 ) 其他累积损伤理论。这些理论多从试验，观测和分析数据归纳出来的经验或半经 验公式，如l e v y 理论，k o z i n 理论。 其中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m 、经以j 次应力循环而产生疲劳损伤吸收的净功为嘶，根据m i n e r 理 论，有： 形魄 w n t 则在f 个应力水平级别下分别对应刀，次应力循环时，材料疲劳累积损伤为： d 。x 旦 厶n i 上式中，啦表示第i 级应力水平下经过的应力循环数；m 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，该结构所具有抵抗疲劳破坏所储存的 能量d ，就是一个常量：抗疲劳破坏能量d 。罨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 ，时，结构将引起 疲劳破坏。 大量实验证明，m i n e r 线性累积损伤为1 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，虽然存在着一些缺陷，但是，由于该理论简单，便于利用，能较好的 预测结构疲劳损伤的均值，在工程上得到了广泛应用。 事实上，抗疲劳设计中，该常数有时还可以定义为是小于1 的另外一个值作为判断 破坏的准则，这与抗疲劳的成本相关。 大连交通人学t 学硕十学位论文 2 2 疲劳评估的相关标准 2 2 1i i w 标准 l l w 的焊接专家认为【3 4 1 ，焊接接头的疲劳特性必须用应力范围a c t 来度量，其原因 是焊后存在很高的残余应力，因此，它的s n 曲线是以应力范围和循环数表示的，为双 斜率曲线，如图2 5 所示，从图中可以看出，它的s n 曲线有两个拐点，标准中各种焊 接接头对应疲劳强度的高低以疲劳等级( f a t ) 表示，它对应于循环2 0 0 万次的常幅应力 范围的值。 1 1 0 2 x 1 0 65 x 1 0 61 1 0 8l o g 2 x l e 。5 x 1 0 i o g r ( a )( b ) 图2 5i i w 标准的s n 曲线 f i g 2 5s - nc a l v eo fi i ws t a n d a r d i i w 标准的疲劳评估不同于a a r ，因为一般情况下，它不考虑应力比r 的影响。 但也根据累计损伤理论计算疲劳损伤寿命： 损伤比计算：生 n i ( 2 8 ) 式中，q 和q 为评估点的s n 曲线拐点；c ，和c ：为常系数。n i 为载荷谱中 事件循环数。具体的技术路线如下： ( 1 ) 指定具体待评点的位置； ( 2 ) 女1 i 果有动应力实测数据，通过编谱而获得该点