机车转向架构架疲劳寿命预测

论文摘要

长期以来,构架作为铁道机车车辆系统的关键部件,其结构强度和疲劳寿命得到了广泛的关注。构架结构静强度在设计阶段可以通过计算,并结合相关理论进行评估从而得到保证。构架在动应力作用下的疲劳强度评估一般只有在其制造完成后,通过相应的疲劳测试试验来进行。如果测试结果表明构架的疲劳强度不满足设计和服务年限的要求,那么该构架就只得进行改进或重新设计。这显然与尽可能地缩短产品开发周期、最大限度地降低产品研制成本的现代化工业设计理念不符合。本文结合国内外疲劳研究最新成果,通过机车多体系统动力学仿真、有限元法和疲劳寿命预测等多领域综合分析,以期实现设计阶段机车转向架构架的疲劳寿命评估。首先根据机车实际的结构参数,利用动力学仿真软件SIMPACK建立整车动力学模型,通过对机车典型运行工况下的动力学性能仿真,计算得出用于构架疲劳寿命分析的载荷时间历程;然后根据机车转向架构架的实际结构尺寸,利用三维制图软件SolidWorks建立详细的构架实体模型,并利用该软件与ANSYS之间的接口实现构架的有限元分析,包括静态应力分析、准静态应力分析和模态分析;最后确定母材和焊缝的S-N曲线,结合作用于构架上的载荷时间历程和有限元准静态应力分析结果,选择合适的疲劳寿命预测方法,采用相关疲劳寿命分析软件nSoft对构架进行疲劳寿命分析,得出构架结构最薄弱的结构部位,并对其进行详细的寿命分析。这种基于虚拟样机技术的疲劳寿命分析方法,在构架结构设计阶段就能预测动应力分布状态,从而为构架结构的优化设计提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 疲劳设计相关理论背景
• 2.1 疲劳概述
• 2.2 疲劳寿命分析方法
• 2.2.1 名义应力法
• 2.2.2 应变寿命法
• 2.2.3 应力场强法
• 2.2.4 影响疲劳寿命的因素
• 2.3 雨流计数法
• 2.4 疲劳累积损伤理论
• 2.4.1 疲劳累积损伤
• 2.4.2 Miner修正
• 2.5 结构寿命评估的应力分析
• 2.5.1 准静态应力法
• 2.5.2 瞬态动力学分析法
• 2.5.3 谐响应分析法
• 2.5.4 随机振动应力分析法
• 2.6 结构寿命预测
• 2.7 本文构架疲劳寿命预测流程
• 2.8 本章小结
• 第3章 机车多体动力学建模与仿真
• 3.1 多体动力学基本原理
• 3.2 SIMPACK多体动力学建模
• 3.3 机车多体动力学建模
• 3.4 机车动力学仿真工况
• 3.4.1 线路设置
• 3.4.2 线路不平顺
• 3.5 机车动力学仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 转向架构架有限元分析
• 4.1 有限元分析软件ANSYS简介
• 4.2 构架实体模型
• 4.3 构架静强度分析与试验验证
• 4.3.1 构架有限元模型
• 4.3.2 构架静态应力分析
• 4.3.3 构架静强度试验验证
• 4.4 构架准静态应力分析
• 4.5 构架结构模态分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 构架结构疲劳寿命预测
• 5.1 nSoft软件简介
• 5.1.1 nSoft软件的基本功能
• 5.1.2 nSoft软件的数据接口
• 5.1.3 nSoft软件的主要特点
• 5.2 构架结构整体疲劳分析
• 5.2.1 材料特性
• 5.2.2 载荷时间历程的输入
• 5.2.3 有限元应力结果输入
• 5.3 构架整体疲劳寿命分析
• 5.4 一系垂向减振器座疲劳寿命仿真
• 5.4.1 一系垂向减振器座有限元模型
• 5.4.2 一系垂向减振器座疲劳分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及所参加的科研实践