基于谱载荷的城市轨道车辆转向架构架焊缝疲劳损伤研究

作     者：王皓宇 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：米彩盈

授予年度：2021年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：焊接构架 疲劳强度 累积损伤 谱载荷 

摘      要：随着城市轨道交通运输在我国城市交通中的占比越来越大,对城市轨道车辆的相关设计要求也越来越苛刻,特别是对城市轨道车辆转向架的构架结构,其不仅承担来自车体的各向载荷,还传递着轨道车辆的牵引和制动载荷,转向架构架结构如果在运行中出现疲劳失效,将会对乘客的生命和财产安全产生重大威胁。因此,对城市轨道车辆转向架焊接构架的疲劳强度研究是转向架设计的重点和难点,疲劳强度评估的结果为其结构疲劳性能评定的重要指标。目前,在工程实践中,对承载结构疲劳强度评估的工程方法主要分为两类,即基于无限寿命设计的疲劳强度评估和基于有限寿命设计的疲劳强度累积损伤计算,前者采用Smith形式和Haigh形式的Goodman疲劳极限图或者MKJ图,后者采用基于S-N曲线的Miner线性疲劳累积损伤理论。两种疲劳强度评估方法均被相关结构疲劳强度评估标准所采用,如轨道交通行业常用的DVS1612标准、IIW规范、BS7608标准和EN1993-1-9标准。针对城市轨道车辆转向架焊接构架计算工况数量多的特点,采用Tcl/Tk语言对Hyper Mesh软件进行二次开发,通过调用载荷加载的相关API函数,实现转向架构架载荷加载的程序化;对于疲劳强度计算中所采用的转向架构架焊缝局部应力张量的求解,通过编写APDL语言程序,建立转向架构架焊缝结构的局部坐标系,并给出各程序的流程图;基于弹性力学理论,编写FORTRAN语言程序求解转向架构架焊缝结构局部应力张量。以某城市轨道车辆转向架构架为研究对象,结合EN13749标准和VDV152标准的强度分析载荷工况,对转向架构架进行应力分析;针对ERRI B12/RP17报告中提出的疲劳强度评估方法,结合UIC510-5标准,对结构疲劳强度评估采用的“投影法进行数学推导,并基于“投影法对转向架构架的焊缝和母材进行疲劳强度评估,用于验证基于有限寿命设计的疲劳强度评估的合理性。为适应设计要求,将相关标准的计算载荷转化为疲劳强度评估的谱载荷,分别基于BS7608标准和EN1993-1-9标准的疲劳评估方法,对转向架构架焊缝结构进行线性累积损伤计算,并对两种评估结果进行对比分析。最后对比“投影法和两种线性累积损伤法的疲劳强度评估结果,并给出适用于工程实际的城市轨道转向架构架焊缝疲劳强度评估的工作流程。结果表明:对城市轨道转向架构架焊缝进行疲劳强度评估时,采用“投影法与采用线性累积损伤所评估的危险位置基本一致,且采用“投影法的评估值最保守,基于BS7608标准的评估值较保守,基于EN1993-1-9标准的评估值与疲劳强度分项系数有关。