高速列车侧窗循环载荷实验研究

论文摘要

作为现代技术的高度集成，高速铁路在21世纪得到了长足的发展。2007年，中国铁路实施第六次大面积提速，中国由此跨入高铁时代。然而，伴随着铁路速度的提升，列车会车或进出隧道时产生的交会压力波引起的安全问题越来越突出。作为一种瞬态冲击波，交会压力波对列车侧窗的冲击最为明显，紧急时将危及乘客人身安全，同时，长期的载荷冲击也对侧窗系统的风载疲劳性能提出更高的要求。因此，对侧窗循环承载能力进行评估，分析影响其承载性能的因素，预测侧窗玻璃的循环疲劳寿命，对既有侧窗的结构优化及新型车窗的结构设计有着积极的意义。基于此，本文重点研究了高速列车侧窗的循环承载性能，对其承载能力进行评估，对侧窗各组件的风载疲劳性能进行实验研究，具体完成了如下工作内容：（1）通过对不同结构中空玻璃在循环载荷下的挠度和应力值进行测量，分析了中空玻璃内外片厚度比、空气层厚度对其承载能力的影响。实验结果表明：总厚度一定的情况下，改变内外片厚度比值，将大大改变载荷在内外片之间的分配，并显著影响中空玻璃的承载性能；空气层厚度对载荷分配影响不大，对整体承载性能影响也较小，但考虑到使用时的其他因素，空气层厚度不应过大或过小。（2）通过对磁悬浮列车侧窗及CRH列车侧窗进行循环载荷实验，研究了高速列车侧窗在循环载荷下的应力、挠度分布特点；通过改变循环载荷的幅值、频率等，分析了载荷形式变化对侧窗承载的影响。实验结果表明：循环载荷下侧窗中心位置应力、挠度最大，但随载荷幅值增加，侧窗角部及长边中心位置应力、挠度增加很快，甚至超过中心位置，分析认为，侧窗玻璃上、下边约束方式不同是导致上边中心应力较大的主要原因；侧窗在内、外侧的约束方式不同是导致挠度变化、外片承载比例在两个方向上变化趋势截然相反的主要原因。随载荷增大，频率对载荷分配的影响逐渐减弱，中空玻璃内外片承载比例趋于一个定值。改善侧窗周边约束条件，将使载荷在中空玻璃内、外片之间的分配趋于稳定。（3）针对列车侧窗在交会压力波下的疲劳问题，进行了侧窗的风载疲劳实验，对疲劳载荷对侧窗承载性能的影响、表面划伤对玻璃疲劳性能的影响进行了实验研究，并依据相关文献对侧窗玻璃的疲劳寿命进行了预测评估。结果表明：表面划伤深度及表面平均应力是影响侧窗玻璃风载疲劳寿命的主要因素，实验用侧窗玻璃在±6000Pa风载下的疲劳寿命均在107~108周期，即除人为损伤外，玻璃材料在使用寿命内产生疲劳损坏的可能性很小，但表面划伤一旦达到临界深度，一经施载裂纹即扩展；另外，疲劳载荷对侧窗玻璃的承载能力影响较小，百万次±4500Pa载荷冲击后，侧窗刚度、气密性及露点均保持完好。（4）在进行玻璃风载疲劳实验的同时，对侧窗的结构件，包括列车用胶黏剂、铝合金连接件的疲劳性能进行了实验研究，实验结果表明：中空玻璃厚度较小时，侧窗胶黏剂、铝合金连接件在疲劳载荷下很容易产生损坏，此时结构件成为整个侧窗的强度瓶颈；连接件的结构设计及约束强度是影响侧窗使用寿命的主要因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高速列车的概念及发展现状
• 1.1.1 高速列车的概念
• 1.1.2 高速列车的发展
• 1.2 列车交会压力波
• 1.2.1 列车交会压力波的概念
• 1.2.2 列车交会压力波的危害
• 1.3 国内外研究现状及趋势
• 1.3.1 列车交会压力波的研究现状
• 1.3.2 中空玻璃的承载特点
• 1.3.3 列车侧窗疲劳性能研究
• 1.4 本课题的研究目的、意义及主要内容
• 1.4.1 研究目的及意义
• 1.4.2 研究主要内容
• 第二章 实验过程及测试方法
• 2.1 实验设备仪器
• 2.2 实验侧窗
• 2.3 实验测试方法
• 2.3.1 压力控制
• 2.3.2 挠度与应变测量
• 2.3.3 侧窗状态观测
• 2.4 本章小结
• 第三章 中空玻璃结构对其承载性能的影响
• 3.1 实验内容
• 3.2 内外片厚度对中空玻璃承载性能的影响
• 3.3 空气层厚度对中空玻璃承载性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 侧窗中空玻璃在循环载荷下的承载特性
• 4.1 引言
• 4.2 循环载荷下侧窗应力、挠度分布特点
• 4.2.1 实验内容
• 4.2.2 侧窗在循环载荷下的应力分布
• 4.2.3 侧窗在循环载荷下的挠度分布
• 4.3 载荷形式对侧窗承载性能的影响
• 4.3.1 实验内容
• 4.3.2 实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 列车侧窗玻璃的风压疲劳性能
• 5.1 引言
• 5.2 理论基础
• 5.3 实验内容
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 侧窗玻璃的疲劳寿命
• 5.4.2 侧窗玻璃表面划伤对其循环承载性能的影响
• 5.4.3 疲劳载荷对侧窗玻璃承载性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 列车侧窗结构件的疲劳性能
• 6.1 引言
• 6.2 实验内容
• 6.3 胶黏剂的疲劳性能
• 6.3.1 A 结构侧窗胶黏剂性能
• 6.3.2 B 结构侧窗胶黏剂性能
• 6.4 其他结构件的疲劳性能
• 6.4.1 侧窗铝合金压条的疲劳性能
• 6.4.2 侧窗 Z 型座的疲劳性能
• 6.5 本章小结
• 结论
• 本文主要创新点
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的科研成果
• 致谢