（车辆工程专业论文）基于可靠性的机车车辆全生命周期结构安全管理体系研究.pdf

摘要 摘要 面对不断加剧的交通运输市场竞争和旅客对交通运输工具运行安全性越来 越高的要求。促使机车车辆行业包括管理部门及制造企业和运营企业必须高度 关注车辆的安全性以保证机车车辆的安全运营。结构安全是机车车辆运营安全 的重要组成部分，随着铁路的持续提速，机车车辆频发的结构故障已成为铁路 运输安全的主要隐患之一。本论文拟围绕机车车辆结构面向全生命周期安全保 障问题进行研究。 论文首先通过对机车车辆结构安全的结构和性能设计及其稳键性、车辆和 转向架制造工艺与加工质量、车辆运行环境与车辆的运用与维护等诸多因素的 影响分析与讨论，表明了机车车辆结构安全是一个涉及从设计、制造及运用乃至 报废在内的机车车辆产品各个阶段在运用环境等诸多条件制约下的复杂系统问 题，因而为了确保机车车辆尤其提速客车的结构运行安全，需要从全生命周期 系统论的观点出发去进行思考与研究其安全的对策。而作为产品安全可靠的重 要支柱技术，可靠性研究对结构安全将发挥重要的保障作用。由此，本文从结 构系统安全可靠性出发，运用产品全生命周期管理理论和可靠性理论，提出在 机车车辆的设计、制造、运用和维修、报废四个主要阶段，建立机车车辆全生 命周期结构安全管理体系的思路及其内涵，并提出了全生命周期安全管理体系 框架结构及其关键技术。 论文研讨了在产品设计这一全生命周期的初期阶段，进行机车车辆结构安 全设计技术，其中包括结构安全寿命设计技术，疲劳可靠性分析和设计及事故 安全可靠性设计的技术和方法，以及面向材料、制造和加工工艺及装配的安全 设计技术；同时运用系统可靠性理论，研究了机车车辆结构系统可靠性，建立 了机车车辆结构系统可靠性模型，并以客车转向架为对象，进行了可靠性设计 中重要环节之的转向架结构子系统的可靠度分配计算；在此基础上，论文将 最优化技术与可靠性技术相结合，以高速客车转向架构架为实例，研究了基于 疲劳可靠性的机车车辆转向架结构轻量化优化设计技术。同时，论文对面向安 全的机车车辆产品质量管理技术包括制造过程中的可靠性与结构安全、制造质 量可靠性控制技术以及质量保证技术进行了分析与讨论。 摘要 借鉴国外以町靠性为中心的维修理论，论文结合我国机车车辆运用维修状 况，针对机车车辆这一可修复系统的特点，从修复性维修和预防性维修两个组 成部分的特点，提出了基于可靠性的机车车辆运用和维修管理策略：同时在对 三个客车车辆段的维修调研和故障维修记录进行可靠性概率统计的基础上，对 机车车辆转向架故障发生频次予以分析，探索了故障频次分布的规律性；然后 对故障模式、影响与危害性进行了分析( f m e c a ) ，从而为面向安全的维修计划的 制定，提供了较可靠的依据。同时沦文也探讨了通过将以经济成本分析为基础 的经济寿命分析与结构可靠性可用寿命以及耗损寿命三者结合制定我国机车车 辆报废条件的可靠性管理技术。 作为运用阶段可靠性技术研究实例，论文以某动车转向架构架为研究对象， 采用实测的加速度作为激励，通过结构瞬态响应分析获得构架的动应力历程， 在此基础上，对构架进行了疲劳分析和寿命预测。由此提出了一种在役阶段对 轨道车辆结构疲劳安全进行监测的新方法。 最后，论文研讨了基于可靠性的机车车辆安全体系的管理技术。根据机车 车辆全生命周期信息模型的要求，沧文提出采用s t e p 数字模型，基于公共数据 库的信恩交换，建立机车车辆全生命周期安全管理体系中产品数字模型的思路： 讨论了机车车辆全生命周期安全管理基于网络的信息协同模式，并探讨了将该 安全体系融合于铁路综合管理信息系统平台的思想。 关键词：机车车辆，结构，产品全生命周期管理，安全体系，可靠性 a b s t r a c t a b s t r a c t f a c i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sc o m p e t i t i o no ft r a n s p o r t a t i o nm a r k e ta n dh i g h e r r e q u i r e m e n t so fr u n n i n gs a f e t yfo rt r a n s p o r t a t i o nt o o l s ，m o r ea t t e n t i o n sa r eg i v e n t o r u n n i n gs a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fr a i l w a yv e h i c l e sb yl o c o m o t i v ea n dc a ri n d u s t r y ， i n c l u d i n gr o l l i n gs t o c km a n u f a c t u r i n ga n do p e r a t i n ge n t e r p r i s e s s t r u c t u r a ls a f e t yp l a y a i li m p o r t a n tr o l ei nl o c o m o t i v ea n dc a ro p e r a t i o n a ls a f e t y w i t hc o n t i n u o u s l y i n c r e a s i n gs p e e do fr a i l w a yt r a n s p o r t ，s t r u c t u r a lf a u l t sh a p p e n e df r e q u e n t l yb e c o m e o n eo ft h em a i np o t e n t i a ld a n g e r o u si nr a i l w a y t h es t r u c t u r a ls a f e t yp r o t e c t i o no f l o c o m o t i v ea n dc a rw a sf o c u s e do nt h i st h e s i s f i r s t l y , a f t e rd i s c u s s i o no fs e v e r a li n f l u e n c e s s u c ha ss t r u c t u r ea n dd e s i g no f l o c o m o t i v ea n dc a r , m a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r ea n dp r o c e s s i n gq u a l i t yc o n t r o l ，r u n n i n g e n v i r o n m e n t s ，o p e r a t i n ga n dm n n t e n a n c ea sw e l l ，i ti sc l e a rt h a ts t r u c t u r a ls a f e t yi sa c o m p l i c a t e ds y s t e mp r o b l e mw h i c hi si n v o l v e di nm u l t i c o n s t r a i n t si n c l u d i n gd e s i g n ， m a n u f a c t u r i n g ，o p e r a t i n ga n ds c r a p p i n g s o ，i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，i ti s n e c e s s a r yt o d i s c u s sa n ds t u d yt h eo p e r a t i n gs a f e t yo fl o c o m o t i v ea n dr a i l w a y v e h i c l e si nt h ev i e wo fw h o l el i f em a n a g e m e n ts y s t e m m e a n w h i l e ，a st h em a i n s u p p o r tt o o lf o rp r o d u c ts a f e t y , r e l i a b i l i t yt e c h n i q u eo fs t r u c t u r ew i l lp l a ym o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l lo fs a f e t yp r o t e c t i o n t h u s ，b a s e do nr e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r a ls a f e t y a n da p p l y i n gt h e o r yo fp l m ，t h et h o u g h ta n dc o m p o n e n t sf o rb u i l d i n gt h es y s t e mo f r o l l i n g s t o c ks a f e t ym a n a g e m e n tw e r ep u tf o r w a r d i t sf r a m es t r u c t u r ea n dk e y t e c h n i q u e sw e r ea l s oi n t r o d u c e d a st h ec r i t i c a la c t i v i t yd u r i n gf i r s tp e r i o do fp r o d u c tl i f e ，s a f e t yd e s i g na n di t s t e c h n i q u eo fl o c o m o t i v ea n dc a rs t r u c t u r ew e r es t u d i e d ，w h i c he v o l v e ds a f e t yl i f e d e s i g n ，f a t i g u ea n a l y s i sb a s e do nr e l i a b i l i t y , c r a s h w o r t h i n e s ss a f e t yd e s i g n ，a n ds a f e t y d e s i g nf a c i n gm a t e r i a l 、m a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l i n g t h e n ，b ya p p l y i n gt h e o r yo f s y s t e mr e l i a b i l i t y , t h es y s t e mr e l i a b i l i t yo fl o c o m o t i v ea n dc a rs t r u c t u r ew a sd i s c u s s e d a n dt h er e l i a b i l i t ym o d e lw a ss e tu pa sw e l l t a k i n gb o g i eo fp a s s e n g e rc a ra sr e s e a r c h o b j e c t ，t h ec a l c u l a t i o no fr e l i a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf o rs t r u c t u r es y s t e m ，w h i c hw a sa n i m p o r t a n ts t e pi nr e l i a b i l i t yd e s i g n , w a s e x e c u t e d t h e n ，b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no f i i i a b s t r a c t o p t i m i z a t i o na n dr e l i a b i l i t yt e c h n i q u e s ，t h eb o g i ef r a n l eo fah i g hs p e e dr a i l w a y v e h i c l ew a st a k e na sa ne x a m p l et op e r f o r mt h em i m m u mw e i g h td e s i g no fb o g i e s t r u c t u r ew i t hf a t i g u ec o n s t r a i n t a tt h es a m et i m e ，t e c h n i q u eo fl o c o m o t i v ea n dc a r p r o d u c tq u a l i t ym a n a g e m e n t ss u c ha sr e l i a b i l i t ya n ds a f e t yf o rm a n u f a c t u r i n g ，q u a l i t y c o n t r o lw i t hr e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yg u a r a n t e ew e r ea n a l y z e d u s i n gf o r e i g nc o u n t r y sc e n t e r e dr e l i a b i l i t yo nm a i n t e n a n c et h e o r yf o rr e f e r e n c e ， as t r a t e g yo fl o c o m o t i v ea n dc a l o p e r a t i n ga n dm a i n t e n a n c eu p o nr e l i a b i l i t yw a sp u t f o r w a r da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i n e s er a i l w a yv e h i c l er u n n i n ga n d m a i n t e n a n c ea n di t sf e a t u r eo fm a i n t a i n a b l e u p o n r e p a i ri n v e s t i g a t i o n a n d p r o b a b i l i t y s t a t i s t i c so ff a u l tr e c o r d i n gt ot h r e ep a s s e n g e rv e h i c l em a i n t e n a n c e s e c t i o n s ，t h ef a u l t sf r e q u e n c yo fb o g i ew e r ea n a l y z e dt os e a r c ht h el a wo ff a u l t d i s t r i b u t i o n i ti sg o o df o u n d a t i o nf o rd e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l em a i n t e n a n c ep l a n m e a n w h i l e b yc o m b i n a t i o no fe c o n o m i cl i f e ， s t r u c t u r a la v a i l a b l el i f ea n d c o n s u m p t i o nl i f ea n a l y s i s ，t h es c r a p p i n gm a n a g e m e n tw i t hr e l i a b i l i t yf o r l o c o m o t i v e a n dc a rw e r ea l s od i s c u s s e d t a k i n gt h eb o g i ef r a m eo fe m ua sap r a c t i c a le x a m p l et os t u d yr e l i a b i l i t y t e c h n i q u eu s e df o ro p e r a t i o n a ls a f e t y , an e wm e t h o dw a si n t r o d u c e df o rm o n i t o r i n g s t r u c t u r ef a t i g u es a f e t yi ns e r v i c ep e r i o d ，i nw h i c ht h ef r a m ef a t i g u ea n a l y s i sa n dl i f e e v a l u a t i o nw e r ep e r f o r m e da c c o r d i n gt o d y n a m i cs t r e s sh i s t o r yy i e l d e df r o ma s t r u c t u r a lr e s p o n s es i m u l a t i o nu n d e ra c c e l e r a t i o ne x c i t i n gr e c o r d e do nl i n et e s t a tl a s t ，m a n a g e m e n tt e c h n i q u eo f t h es t r u c t u r a ls a f e t ys y s t e mo f l o c o m o t i v ea n d c a ru n d e rr e l i a b i l i t yw a ss t u d i e d a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t sf o ri n f o r m a t i o nm o d e lo f r o l l i n gs t o c k ，a ni d e aw a sp u tf o r w a r dt os e tu pp r o d u c tm a s t e rm o d e lf o rt h es a f e t y s y s t e mi nw h i c h t h es t e pn u m e r i c a lm o d e lw o u l db eu s e da n di n f o r m a t i o nw a s e x c h a n g e db a s e do np u b l i cd b s 1 1 1 ew e b b a s e dc o o p e r a t i o nm a n a g e m e n tm o d e lo f s t r u c t u r a ls a f e t ys y s t e mw a sd i s c u s s e d a n dt h et h o u g h tf o rt h i ss a f e t ys y s t e mj o i n i n g t h eg e n e r a lm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o np l a t f o r mo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n w a sp u tf o r w a r da sw e l l k e y w o r d s ：l o c o m o t i v ea n de a r , s t r u c t u r e ，p l ms a f e t ys y s t e m ，r e l i a b i l i t y , 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学雠文作者虢锄阳 舌年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 氏 莎年月 曰 掰 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 1 1 1 国内外结构安全概况 结构安全性与可靠性在机械产品的运用安全中占有重要地位。近十年间， 国内外发生了多起由于结构强度问题引发的重大事故 ”，其中有： ( 1 ) 1 9 9 8 年6 月3 日，德国汉诺威地区发生了起高速列车出轨事故，1 4 节车厢断成数截，1 0 0 多人遇难。有媒体报导该事故的起因是车辆的一个车轮飞 裂所至。 ( 2 ) 2 0 0 0 年9 月3 日，三峡工地上美国罗泰克公司生产的3 号塔带机发生倒 塌事故，伤亡3 3 人。专家组调查表明，塔带机尾部吊耳的焊接质量问题，引发 吊耳的断裂是造成倒塌的直接原因之一。 ( 3 ) 2 0 0 2 年，我国河南小浪底水电站从美国伏伊特公司进口的6 台水轮发电 机组，有4 台水轮机的转轮多个时片出现“位簧相同、形态相似”的裂纹。个 别水轮机转轮1 3 个叶片全部出现裂纹。专家组确定这是由于水轮机运行产生剧 烈振动导致叶片疲劳破坏所致。经过索赔谈判共获赔3 0 0 万美元。但实际造成 的损失远远大于该数目。 ( 4 ) 2 0 0 2 年5 月2 5 日，台湾一架波音7 4 7 客机在澎湖列岛上空解体坠毁。 2 0 9 名旅客和1 9 名机组人员全部遇难。事故原因是机体陈旧结构疲劳损坏。 ( 5 ) 2 0 0 3 年2 月1 日，美国“哥伦比亚号”航天飞机在返航时碎裂，同样是 七名航天员丧生，酿成继1 9 8 6 年“挑战者号”航天飞机失事后的又一航天飞机 大灾难。据公布的政府调查报告称，事故的直接原因是航天飞机升空后，燃料 箱外脱落的块泡沫材料撞坏了航天飞机左翼前缘的热保护部件并形成裂纹， 在重返大气层时超高温气体从裂孔处进入航天飞机机体，造成机体解体，酿成 灾难。 这些重大事故，大多直接造成了惨重的人员伤亡及巨大的经济损失，同时 也对事故有关公司乃至国家产生了较大的负面影响。因结构引发的小浪底水电 第1 章绪论 站事故，虽然尚未造成人员伤亡，但其经济代价也是巨大的。 在这几起重大事故中，交通事故占有不小的比例。事实上，交通工具这一 特殊的机械，作为旅客交通运输的载体，在安全、方便、舒适和快捷这几个普 遍关心的方面中，安全因素尤其受到特别的关注，其可靠性也是现代交通运输 模式及其产业在激烈竞争中取胜的关键之一。随着现代社会的不断进步和人性 化意识的日益加强，使公众对交通运输的运行安全给予越来越大的要求与期望。 机车车辆是轨道交通旅客运输的工具，轨道车辆运行安全是轨道交通安全 的重要组成部分。尽管多年来在我国轨道交通史上，也曾发生过列车正面冲突、 尾追等重大意外事故，如9 0 年代沪宁线旅客列车正面冲突造成8 0 多名旅客罹 难，京广线客车尾追重大事故造成数l o 人伤亡等 2 ，在最近又发生了大长线旅 客列车的尾追事故，但相比而言，在汽车、轨道车辆和飞机这三种运输工具中， 轨道车辆在安全运输( 及舒适性) 方面尚有定优势，尤其近年来铁路客运的 多次提速使铁道运输业在与公路及航空的竞争中增强了取胜的实力，并获得良 好的经济与社会效益，然而，几年来提速的实践已暴露出这样一个不容回避的 问题，即速度的提高也带来了较大的事故风险和较多的安全隐患。 根据铁路部门的统计 2 1 ，近几年来，铁道机车车辆结构故障( 含事故) 数量 呈现较大的上升趋势，尤其是我国自主研发的几种主型提速转向架承载构件连 续发生强度不足尤其是疲劳引发的裂纹问题，有的因此而遭到市场无情的淘汰， 而进口的城市轨道车辆动车转向架构架同样发生了早期裂纹以致几乎酿成惨祸 的事情。车体结构虽然尚未发生严重的失效事故，但一些车体的中、枕、缓等 主要结构也发现了裂纹一类的故障问题，这些事故隐患如不加以防范，其后果 是不堪设想的。因而铁路旅客运输如果要在激烈的市场竞争中保持并扩大提速 带来的优势，在继续高速化以及改善舒适性的同时，还需要为旅客提供更可靠 的安全服务保障。 除了运行于城市间的铁道机车车辆外，城市轨道交通以其快捷和环保等优 点在我国的大中城市受到普遍青睐。城市轨道车辆运行速度并不算高，但由于 这些车辆运行于人口密集的市区，乘员较多，安全事故无论对旅客人身形成的 威胁还是对交通运输造成的负面影响同样是不容忽视的。 1 1 2 新形势下的轨道车辆安全及其管理技术 铁路是经济而快捷的交通运输方式，日益增长的电气化铁路更代表了轨道 2 第1 章绪论 交通向环保、节能和洁净能源型的绿色交通发展的方向。但我国目前无论从国 土单位面积或人均铁路长度均与发达国家差距极大，在一定程度上制约了国民 经济的发展。为了实现铁路的跨越式发展，我国铁道部将以运输能力的快速扩 充和技术装备的快速提高为主线，采用先进、成熟、经济、适用、可靠的技术， 把引进技术和自主创新结合起来，使我国铁路技术装备早日达到或接近发达国 家水平。 铁道部己计划在近年连续5 次进行大规模提速的基础上，进一步加大技术 改造的力度。据媒体报道，为了做好铁路第6 次提速的准备，我国铁路部门通 过国内公开招标方式，分别引进臼本川崎、法国阿尔斯通公司的技术，订购了 总共1 2 0 列2 0 0 公罩时速的客车动车组：还向加拿大庞巴迪公司在青岛的合资 企业订购了5 0 列客车动车组；这是我国铁路车辆装备业在技术引进上的跨越式 发展。 按照合作协定，数年以后，主要零部件将由我国机车车辆企业自行生产， 国产化率要达到7 0 以上。从客观上来说，采用这些先进装备和技术实际上就 是改进了铁路设施和装备的可靠性，因而也将能有助于提高铁道交通的固有安 全性。但这里还有这样几个需要探讨的问题： 首先，应该看到，大规模的设备的引进只是发展中的一种权宜之计，这对 于铁路安全性的提高可能只是一段时间内的状况，因为任何机械产品都是有生 命期的，况且，这一百多列车在我国的铁路客运列车中仅占到很小的比例，对 整个铁道交通安全起的作用是较为有限的。因而，通过合作和引进需要把重点 放在消化、吸收并力求掌握国外的先进技术，并运用于国产( 而不仅仅是国产 化) 车的设计制造，提高机车车辆业的整体水平，最终落实到我国民族产业的 发展上。 其次，可吸收消化的先进技术颇多，可以有设计技术，也有制造及工艺技 术，从国内机车车辆的运用安全角度看，铁路提速与高速列车的安全和准点运 行是在“系统可靠性、可用性”的技术基础上才能建立起来的，因而，可靠性、 维修性与安全性( r e l i a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t y , s a f e t y ；简称r m s ) 技术及其管理理 念也应该是值得学习的一大先进技术。实际上，r b m 技术也就是在航空航天领 域应用最早也最为成功的“可靠性工程”及其管理技术。 可靠性已发展成为一个独立的学科，但另一方面，“可靠性工程首先和首要 的是在设计、开发、制造和服务过程中应用良好的工程技术”p l 。因而，可靠性 第1 蕈绪论 技术对于产品研发、测试及维护乃至其管理质量提高，都有着极大的指导意义。 安全来自于高品质，高品质就是可靠的象征。对于我国机车车辆( 包括铁路动 车组及城市轨道车辆) 的系统集成及车体、转向架、牵引电机、牵引整流器、 变流器、牵引控制系统、列车阏络控制系统、制动系统等核心技术的研发，需 要可靠性理论的指导，才能开发出满足市场需求的具有较高安全可靠度的自主 知识产权的现代机车车辆：同时，对于车辆制造和运行维护的管理，也必须贯 彻可靠性的思想才能确保更高的运行安全可靠度。 结构安全事故通常发生在运行阶段，这里固然有运行管理的原因，但作为 产品生命周期中重要的组成环节，如何在设计与制造阶段采取相应措旌，实现 从源头开始加以控制的主动策略，具有十分重要的意义：而不断发展的现代设 计技术也为产品开发提出了解决的方向，并提供了先避的技术与方法。从而也 为提高我国轨道车辆的运行安全性创造了良好的条件。 结构安全问题既与设计和制造质量密切相关，也与列车运用和维修有着直 接的联系，其疲劳寿命又涉及报废年限，因面是一个与机车车辆产品整个生命 周期内各阶段都密切相关的问题。近年来，国际上基于系统论和从产品整个生 命周期内质量及可靠性、价值链等角度出发，提出了产品全生命周期管理( p l m ) 理念【2 j ，旨在缩短产品开发周期，降低费用，满足用户的个性化需求。这一思想 与方法，对于机车车辆结构安全及其管理，是相通和值得借鉴的。 1 2 国内外结构安全研究的现状及其进展 1 2 1 传统机械强度安全理论 人们对机械强度安全的认识随着科学技术的发展而不断深人【4 i 。 静强度破坏这现象是人们对强度最早认识的强度安全问题，以后相应地 发展了静载荷作用下的材料强度理论、屈服极限研究、弹塑性应力分析等，从 而得出了材料力学、弹性力学、塑性力学等一系列学科理论知识，形成了传统 的强度理论体系。 传统机械强度理论的特点是：( i ) 承受静载荷作用，( 2 ) 假设制造机械零 构件的材料性能是均匀的、各向同性的、连续的。而结构强度安全是通过安全 系数予以保障的。 安全系数是考虑到实际结构中可能存在的缺陷和其他意想不到的或难以控 4 第1 章绪论 制的因素( 如计算方法的不准确性、载荷估计的不准确性等) ，用来保证所设计 的机械零构件有足够的强度安全储备量，保证在最大工作载荷下，其工作应力 不超过制造零构件材料的极限应力。 机械零构件的安全系数为n l ，通常取值范围n = l l o 。 在确定安全系数时，一般遵循如下原则：对重要零部件， n 取大值：对非 重要零构件， n 取小值，但必须满足大于1 o 的要求。 传统的强度设计方法，显然不适用于含裂纹和缺陷材料及复合材料等制造 的零构件，也不适用于循环随机载荷作用下的结构，但由于其经过长期的发展 已形成一套较为实用、简便和完整的体系，因而迄今仍然广泛应用于工程计算， 也是现代机械强度设计的基础。 1 2 。2 现代机械强度理论 机械科学史表明：工程中绝大多数机械是在动载荷作用下工作的，疲劳破 坏普遍存在于各种机械之中。 从1 9 世纪中期开始，人们就从大量蒸汽机车车轴断裂事故中，了解到在交 变应力作用下的疲劳破坏现象。德国工程师w o h l e r 通过大量试验研究，奠定了 疲劳研究的基础，开创了疲劳强度研究的新纪元。现代的机械零构件的强度计 算都是根据疲劳强度理论进行的。疲劳强度理论已经成为现代机械强度理论的 主要内容。 2 0 世纪2 0 年代，动力机械开始应用于高压、高温蒸气等恶劣环境中，材料 蠕变成为这些机械零构件的主要破坏形式。从此，蠕变以及蠕变与疲劳的交互 作用成了强度问题中的一个重要研究领域。以后，人们又发现零件抵抗破坏的 能力和时间有密切关系。因此，强度问题又直接与寿命的概念连接在一起。故 一般情况下的疲劳强度安全也包括了寿命计算。 在工程实践中，寿命计算结果分散性很大。这是因为，表征材料强度的参 数都是由试验确定的，如强度极限、疲劳极限、表面状况、尺寸大小等都具有 离散性，数值是一个范围，故计算结果误差必然很大。为了在强度和寿命计算 中反映出这一特性，人们又引入了疲劳强度和寿命的可靠性概念，即出现了疲 劳强度可靠性和疲劳寿命可靠性的学科分支。随着疲劳强度研究的深入，人们 发现零件应力分布不均匀对疲劳强度影响很大，因此在应力一应变分析领域内 发展起来局部应力一应变的研究分支。这方面的研究继续在接触应力和零件几 第l 章绪论 何形状不连续处的应力一应变集中两个方向上深入和发展。 2 0 世纪4 0 年代尤其是第二次世界大战中，飞机零构件的脆性断裂事故不 断发生，导致了断裂力学这门新学科的建立。目前，断裂力学在零构件的脆性 断裂和疲劳裂纹形成与扩展寿命方面有着广泛的应用。 由于现代的机械零构件工作环境越来越恶劣，如高温、高压、腐蚀环境， 工作载荷大，变化频繁，且多数是随机载荷，制造零构件的材料也由过去的一 般钢铁发展到高强度钢、超高强度钢、复合材料、陶瓷材料及非金属聚合物等 材料，传统强度设计的理论和方法己远远不能满足现代机械使用的材料、工作 条件及环境的要求，必须加以改进、发展和完善，因而形成了现代机械强度的 设计理论和方法。现代机械强度理论除了传统的弹塑性理论之外，还需要应用 疲劳和断裂理论，同时需要利用现代测试技术手段及计算机技术对机械结构进 行综合分析与计算，最终给出科学的强度设计指标，以满足工程的安全要求。 1 2 3 现代机械结构强度安全分析技术研究 结构安全是结构设计的首要目标， 计寿命期内的运用中满足事故安全性、 这一“安全”实际上包括了使结构在设 工作适用性和使用耐久性三方面的性能 要求。传统的结构安全，主要通过设计给予实现。应该看到，随着现代设计技 术的不断发展，尤其是计算机技术支持下的结构有限元分析技术的飞速进展， 为车辆结构安全设计提供了一个较为有效的分析方法，特别对于结构设计最基 本的静强度和刚度分析，具有更高的工程精度1 5 j 。 近年来非线性有限元的突破性进展，使设计人员对复杂的各类非线性结构 分析问题有了较深入的理解及解决的可能。几何非线性有限元为薄壳结构的大 位移小应变问题和橡胶类材料的大应变问题探索了解决方法 6 1 ：在材料非线性问 题中，弹塑性有限元应用于分析结构的低周疲劳以及蠕变问题有限元在高温状 态结构的疲劳寿命估算方面已有了长足的进步( 刀，而工程结构中最广泛但也最复 杂的接触( 包括挤压和撞击) 非线性问题也有了良好的分析手段p 1 。这些进展推 动了与结构安全密切相关的分析诸如随机动载荷作用下的疲劳寿命预测以及瞬 态碰撞仿真等的发展 弘挖】，从而为结构事故安全与疲劳耐久性的解决发挥了积极 作用。 另一方面，随着科学的进步和社会的发展，尤其是我国进入w t o 和市场经 济的发展，用户对产品的要求已超出了产品技术领域以外的包括系统和环境乃 第1 章绪论 至社会因素等多个方面，例如现代车辆设计不仅要考虑速度及舒适性，还应更 多地考虑运行安全可靠问题，燃油供应与排放问题，要考虑人、机、环境的其 他问题，甚至还需要销售、运输及报废回收等系列的因素。所有这些都有力 地推动了设计技术的新发展。除了有限元技术以外，那些在各个科学领域内得 到应有的现代科学方法都被应用于工程设计中，形成了系统的、动态的、科学 的和计算机化的现代设计方法。c a x 、d x f 等计算机辅助设计技术的涌现，把产 品设计水平推向新的高度【1 3 “6 1 ，从而使日益人性化的结构安全设计也正在朝着 科学化信息化的方向不断前进。 但从轨道交通车辆结构运用安全的要求看，仅仅依靠安全设计是远远不够 的，就结构安全故障中最普遍的疲劳裂纹问题而言，其发生涉及颇多，既可能 有工艺原因，也可能有制造因素，还可能是运用维修方面的原因，而p d m 和p d i 等技术则采用新的设计理念将计算机技术运用于企业的设计管理，在辅助设计 的同时，也推动了信息技术在于企业产品研发及制造过程管理中的应用，由此 进一步加快了研发速度，缩短了生产周期，提高了产品质量。 因而，在现代先进技术高度发展的今天，如何从设计与制造，由运用到维 修乃至报废的生命周期的各阶段，全面综合性地运用这些先进技术并通过信息 化的现代管理手段，在高速化的新形势下提高轨道车辆的运行安全性，就成为 轨道交通车辆研究人员迫切需要解决的一个重要课题。 1 2 4 可靠性技术的进展 在目前市场经济的激烈竞争中，产品更新越来越快，许多新材料、新工艺 未及成熟就得以采用；另外，产品或结构系统日益向大容量、复杂化发展，尤 其是机电一体化技术的发展使整机零部件数量大为增加，致使发生故障的机会 增多，也导致了结构安全受到更大的威胁。 结构安全问题可能的原因众多，但其中结构分析中对许多不确定因素的忽 略也是一个重要原因。众所周知，以往的结构分析，通常采用确定性力学模型 进行。在这类模型中，所采用的结构计算参数是一些确定的数值，得到的是一 些确定的计算结果。也就是说，在这类模型中，不承认或完全忽略了实际结构 在工作中所承受的种种不确定性因素( 如荷载的不确定性、材料性能的不确定性 7 第1 章绪论 以及结构的变异性等) 。在具体的分析与计算过程中，各参数值的确定，基本上 都是取实验或测量得到的该参数的平均值，有时还要根据经验进行调整。现有 的研究表明，只有当结构计算参数的变异性较小时，上述分析才能给出较为符 合实际的结果。在以往的工程设计与建设中，为了保证工程结构的安全往，长 期使用大于l 的安全系数。但由于实际结构的计算参数一般都存在较大的变异 性，使得科学合理地确定结构安全系数十分困难。而且，对于工程结构出现的 许多损伤和破坏现象，现行的计算模型也无法给出科学的解释。 结构的不确定性一般反映以下几方面： ( 1 ) 材料特性的不确定性。由于制造环境、技术条件、材料的多相特征等因 素影响，工程材料的弹性模量、泊松比、密度等具有的不确定性。 ( 2 ) 结构承受作用力的不确定性。结构在施工和使用期间受到各种可能的载 荷，如自重、变温、地震、外荷载、外加变形等，这些载荷均具有不确定性。 ( 3 ) 几何尺寸的不确定性。由于制造、装配等误差而使结构或构件的几何尺 寸( 如梁、柱的长度、横截面尺寸，板的厚度等) 具有不确定性。 为了正确反映这些不确定性，可靠性分析方法应运而生并迅速发展【l m 。 以概率论与数理统计为基础的可靠性分析方法可以追溯到2 0 世纪3 0 年代， 当时主要是针对飞机航行的安全性进行研究。在第二次世界大战中，德国曾用 可靠性方法分析过火箭的发射，美国也曾对b - 2 9 飞机的航行进行过可靠性分析。 2 0 世纪5 0 年代初，美国国防部成立了可靠性研究机构电子设备可靠性咨询 组( a g r e e ) ，对可靠性问题进行专门研究，促进了空间技术的发展“。 结构可靠性问题的研究始于2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 6 年美国的佛罗伊詹特 ( a p f r e u d e n t h a l ) 发表了题为结构的安全度的论文。1 9 4 7 年前苏联的尔 然尼钦提出了一次二阶矩的基本概念，而后提出了计算结构失效概率的方法和 计算可靠指标的公式。1 9 6 9 年美国的康乃尔( c a c o m e l l ) 提出用可靠指标” 作为度量结构安全度的统一标准，并建立了计算结构安全度的“二阶矩模式”， 在结构可靠性理论的实际应用方面作出了贡献。1 9 7 1 年有关国际组织联合成立 了“结构安全度联合委员会”( j c s s ) ，专门研究结构安全度和设计方法的改进， 通过广泛的国际合作，编制了结构统一标准规范的国际体系。 我国从2 0 世纪5 0 年代开始，有关高等院校和科研部门用数理统计的方法 研究荷载、材料强度的概率分布等。2 0 世纪7 0 年代，我国在制定工业与民用 建筑结构设计规范、公路桥梁和铁路桥梁设计规范等规范时，也对结构安 第1 章绪论 全度提出了“改进结构可靠度的分析方法”和“结构的设计原则统一化”两个 急需解决的问题。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国学者在结构可靠性理论研究和工程应用方面取得 了长足进展。他们在这一领域的研究成果，为我国结构设计理论、方法的改革 奠定了基础。由中国建筑科学研究院会同建筑、铁路、公路、港口及水利水电 工程结构可靠度设计统一标准的各主编单位，于1 9 9 2 年编制了我国首部有关结 构可靠度的工程结构可靠度设计统一标准( g b5 0 1 5 3 - - 1 9 9 2 ，使我国的工程 结构可靠性设计水平迈上了一个新台阶1 2 m 6 1 。 可靠性技术除广泛用于工程结构设计外，近年来发展的机械制造过程的可 靠性质量控制也对产品可靠性作出了不可或缺的贡献，成为可靠性制造的有力 工具1 2 “3 0 j 。此外，可靠性技术被引入产品运用与维修领域，将使维修的效能和 经济性达到最佳化1 。总之，可靠性已成为一个独立的工程科学，在产品研发、 制造、运用维修的各个生命阶段都将起到重要的作用。因而，本文在现代车辆 人性化理念日益深入的今天，为了确保轨道交通运输工具一机车车辆以及城市 轨道车辆的结构运用安全，研究在机车车辆产品的各生命周期中始终贯彻以可 靠性技术为指导的思想，通过在产品生命周期的各个阶段实行全面安全可靠性 管理，采用协同管理模式，通过产品全息数字模型进行信息交流、反馈和故障 分析，从而在结构安全的前提下降低生产成本，加速开发周期；同时提高产品 运用与维护的可靠性水平，使我国轨道交通的运营安全达到满足国民经济发展 和社会要求的新水平。 1 3 本论文的研究内容及组织结构 1 3 1 论文的研究内容 本文拟从系统论思想出发，运用产品全生命周期管理( p l m ) 理论，结合机 车车辆全生命过程特点，提出在机车车辆全生命周期内实施以可靠性为中心进 行结构安全管理的体系框架和主要内容，探索为增强机车车辆结构运行安全性 开展研究的关键技术。主要内容为： ( 1 )在产品全生命周期管理( p l m ) 理论的指导下，从铁道机车车辆全生命周