高速列车转向架构架频域疲劳寿命研究

论文摘要

转向架构架作为机车车辆的关键承载部件,其疲劳强度直接影响到行车安全。传统构架设计采用疲劳强度校核的方法（如使用Goodman曲线）,然后按照相关标准进行疲劳加载测试。该方法常会导致构架整体疲劳强度过量设计和局部结构抗疲劳不足的问题出现。并且测试中采用的常幅值加载与构架实际运行中所受的随机激励明显不相符合。因此,开展构架随机激励下的振动疲劳分析对构架设计具有重要的指导意义本文利用逆傅里叶变换法和三角级数法对随机过程进行数值模拟,通过对比分析,验证所建载荷历程的正确性和可行性。在轨道不平顺数值模拟的基础上采用三次样条插值,得到对应的速度和加速度时间历程,并与理论公式进行比对,结果显示该激励转换方法具有良好的可行性。本文构建—悬臂梁模型分别从时域和频域预测悬臂梁振动疲劳寿命,以期阐明频域方法与时域方法的适用范围,为构架频域疲劳计算提供理论依据。对频域疲劳寿命预测中的阻尼影响因素以及瞬态响应分析中的积分时间步长影响因素做了详细的研究。本文建立构架有限元模型,利用仿真软件Nastran获得构架在多点激励下结构应力响应功率谱。根据焊缝S-N曲线和频域疲劳寿命模型,采用疲劳分析软件nSoft进行疲劳仿真,得到了随机振动下构架焊缝95%存活率的疲劳寿命分布。基于不同焊接标准预测构架寿命结果表明,国际焊接学会标准偏于安全。本文研究表明,频域疲劳寿命计算方法能较好预测振动疲劳,为构架的抗疲劳设计提供了一种有效方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 频域随机疲劳研究历史
• 1.2.1 随机高斯载荷
• 1.2.2 多轴载荷
• 1.3 随机疲劳仿真及应用
• 1.4 论文研究内容
• 第2章 随机激励在频域和时域中的相互转换
• 2.1 傅里叶变换
• 2.1.1 时间连续频率连续的傅里叶变换
• 2.1.2 离散傅里叶变换
• 2.2 离散数据的采样定理
• 2.2.1 时域采样
• 2.2.2 频域采样
• 2.3 平稳随机过程功率谱密度
• 2.4 功率谱密度估计
• 2.5 时域信号估计
• 2.5.1 傅里叶逆变换法
• 2.5.2 三角级数法
• 2.5.3 算列
• 2.6 轨道不平顺的数值模拟
• 2.7 时域信号的三次样条插值
• 2.7.1 三次样条函数定义
• 2.7.2 三次样条插值函数的建立
• 2.7.3 算列
• 2.8 本章小结
• 第3章 频域振动疲劳寿命方法研究
• 3.1 应力响应的获取
• 3.1.1 准静态应力分析法
• 3.1.2 瞬态动力学分析法
• 3.1.3 随机振动应力分析法
• 3.2 雨流计数法
• 3.2.1 雨流计数法基本原理
• 3.2.2 雨流计数法流程
• 3.3 材料疲劳特性
• 3.4 算例
• 3.4.1 悬臂梁有限元模型
• 3.4.2 积分时间步长对瞬态分析寿命的影响
• 3.4.3 时域方法的比较
• 3.4.4 瞬态分析方法与随机振动方法比较
• 3.5 阻尼对寿命的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 转向架构架频域疲劳寿命分析
• 4.1 构架实体模型
• 4.2 构架有限元模型
• 4.2.1 轮对模型的简化
• 4.2.2 车体模型的简化
• 4.2.3 构架模型
• 4.3 构架模态分析
• 4.4 轨道不平顺输入
• 4.5 构架材料疲劳特性
• 4.6 构架疲劳寿命分析
• 4.7 不同焊接标准对比
• 4.8 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文