包钢集团LZ型立装卷钢座架疲劳寿命研究

作     者：赵诣 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩梅

授予年度：2021年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 

主      题：LZ型立装卷钢座架 动力学仿真 有限元 疲劳寿命计算 

摘      要：随着国民经济的发展和科技水平的快速提高,我国各行业已逐渐实现高质量蓬勃发展,国家对卷钢的需求量也随之增加。卷钢作为我国的基础工业产品,运输里程长、自身重量大且生产地大多处于我国的内陆地区,这些鲜明特点使铁路运输成为了最常用的卷钢运输方式。由此可见,针对卷钢的铁路装载加固安全至关重要,它不仅决定了铁路卷钢运输的安全性,还关系着铁路货物运输效率等因素。卷钢座架是现阶段极其常见的一类铁路货物装载加固装置,因其具有便于装卸、安全性高、绿色环保等优点,被广泛使用在卷钢铁路运输工作中。卷钢在铁路车辆上可采用立装和卧装两种装载方式,其中立装方式具有运输效率高、卷钢摆放更为合理有效等优点。但我国目前对卷钢座架的仿真研究只针对卧装卷钢架,而对立装卷钢座架的研究却少之又少,故本文选择包钢集团设计制造的LZ型立装卷钢座架作为仿真研究的对象。为保证运输安全,卷钢座架在投入运用前应进行结构强度测试。在测试中,通常采用模拟调车冲击的方法进行实车试验,利用数据采集仪器获取卷钢座架上各测点在各速度等级冲击工况下所承受的应力值,并将经数据处理后的最大实测应力值与座架材料的许用应力进行对比,进而判断座架结构强度能否满足卷钢铁路运输安全要求。但在实际铁路运输中,卷钢座架在运输全过程只有极少时间会承受调车冲击时的最大瞬时应力,其大部分时间都在承受不断变化着的交变载荷的作用,这种交变载荷造成了座架的疲劳损伤,使卷钢座架逐渐达到疲劳寿命。本文选择包钢集团设计制造的LZ型立装卷钢座架作为研究对象,对座架的疲劳寿命进行研究并提出座架的优化方案,主要工作如下:(1)使用SIMPACK动力学仿真软件建立C型通用敞车立装两件卷钢的车-货动力学模型。根据包钢集团运输卷钢所经实际铁路线路条件设置模型的运行工况,经仿真计算得到卷钢运输过程中LZ型立装卷钢座架所承受的载荷-时间序列。(2)根据LZ型立装卷钢座架的Auto CAD图纸,创建座架的三维模型,将模型载入Hyper Mesh软件中划分有限元网格、设置相关参数,利用Optistruct求解器进行有限元强度仿真计算,并获取在一定载荷水平下,LZ型立装卷钢座架的应力分布云图和座架各位置的仿真应力值。比较现场试验中各测点的实测应力值和仿真应力值,验证座架有限元模型的可靠性。再通过分析座架结构、座架应力分布规律以及座架各位置仿真应力值,选取LZ型立装卷钢座架上的7个薄弱点作为本文的疲劳评价点。(3)根据载荷-时间序列与座架有限元模型强度仿真计算结果,推导出座架上各疲劳评价点的应力-时间序列。结合雨流计数法和英标BS7608:1993钢材结构疲劳损伤评定标准,对各评价点在不同线路等级条件下的单位公里疲劳损伤值和疲劳寿命里程进行预测,进而计算LZ型立装卷钢座架在本文选定铁路线路上的安全使用次数和安全使用年限。(4)通过分析影响疲劳寿命的因素,列举延长零件疲劳寿命的3种常用方法并进行简要分析说明,选取最为经济有效的薄弱处补强法对LZ型立装卷钢座架进行优化并计算优化后座架的疲劳寿命。本文使用动力学仿真软件对车-货动力学仿真模型进行仿真计算,以获取LZ型立装卷钢座架在指定线路上运输全过程中所受垂向载荷-时间序列;再利用有限元计算和相关疲劳寿命理论确定座架的疲劳评价点并进行疲劳寿命分析与预测,为今后各类型立装卷钢座架的设计生产、保养维护以及安全充分地利用提供了理论指导及计算方法。