高速动车组转向架构架可靠性及可靠性灵敏度分析

论文摘要

进入21世纪以来,世界高速铁路技术迎来了日新月异的发展热潮,安全性高、行车速度快、能耗低、环境污染轻、舒适性好等技术指标均是高速铁路向前发展的不竭动力,它对全球经济的快速发展也起到了十分重要的作用。而高速动车组作为高速铁路的核心,综合集成了机械、电子、新型材料、计算机等诸多现代科学技术。在高速动车组中起着承载、牵引、走行和制动等重要作用的动力转向架,则是决定高速列车运行安全及动力学性能最为关键的组成部分。随着我国国民经济的迅速发展,铁路运输的压力逐渐增大,铁路车辆速度的不断提高,也促进了铁路车辆技术的逐步发展。因此,提高转向架的承载能力以及高速行驶下的稳定性与可靠性,是我国高速铁路发展中亟需解决的问题。本文在大量吸收国内外有关结构可靠性分析及可靠性灵敏度设计研究基础之上,对于高速列车转向架构架的可靠性及其参数灵敏度问题进行了分析研究。主要分析的内容有：首先,通过对国际UIC615-4, JIS E4207以及我国“暂规”这三个常用标准的研读和比较,提出适合我国高速铁路运营线路350km/h高速动车组转向架构架静强度分析的载荷组合工况。其次,根据工程图建立构架的三维实体模型,并进行网格离散划分；再次,调用NASTRAN有限元求解器,通过有限元方法对构架进行结构强度分析,得到构架在各组合工况下的结构应力情况,进而校核构架最大应力是否满足材料许用应力要求；然后,应用iSIGHT大型集成软件,通过DOE试验设计获取构架危险部位的应力与结构参数的变化关系,并使用Kriging模型进行拟合,从而获得构架结构应力关于结构参数的显式表达函数；最后,使用四阶矩方法和Monte-Carlo方法计算构架结构可靠度,进而求解结构参数的可靠性灵敏度。通过本文的研究,结合高速动车组转向架构架结构强度的仿真分析与实物试验,可确定最优的载荷条件及解算方法,将为我国研究适合不同线路运用环境的高速动车组转向架构架强度设计规范做前期准备。另外,本文总结出用于高速动车组转向架构架的一整套可靠性灵敏度设计方法,将为转向架构架的结构优化设计提供重要的依据。进而确保转向架以一定的可靠度安全稳定运行,也为新一代高速转向架的研制提供技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 可靠性研究的发展及现状
• 1.3 国内外铁路机车车辆可靠性研究的发展与现状
• 1.4 本课题的主要研究工作
• 第2章 可靠性基本理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 数学基础
• 2.2.1 Kronecker代数理论简介
• 2.2.2 二阶矩和四阶矩技术
• 2.2.3 Edgeworth级数
• 2.3 可靠性基本理论
• 2.3.1 可靠性基本概念
• 2.3.2 可靠性的基本假设
• 2.3.3 可靠度与可靠性指标
• 2.4 可靠度计算方法
• 2.4.1 矩法
• 2.4.2 响应面法
• 2.4.3 随机有限元法
• 2.4.4 Monte-Carlo法
• 2.5 可靠性灵敏度设计方法
• 2.6 METAMODEL理论基础
• 2.6.1 Metamodel概述
• 2.6.2 元模型种类
• 2.7 本章小结
• 第3章 转向架构架有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 动车组转向架及其构架结构简介
• 3.2.1 动车组转向架组成及主要技术参数
• 3.2.2 转向架构架结构及材料属性
• 3.3 转向架构架载荷计算条件
• 3.3.1 静载荷条件
• 3.3.2 动载荷计算条件
• 3.3.3 转向架主要载荷作用位置
• 3.4 转向架分析的有限元法
• 3.4.1 有限单元法概述
• 3.4.2 转向架构架采用有限元分析的必要性
• 3.4.3 转向架构架的有限元建模
• 3.4.4 边界条件的模拟
• 3.5 构架各组合工况结构强度分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 转向架构架可靠性及可靠性灵敏度分析
• 4.1 引言
• 4.2 ISIGHT试验设计
• 4.2.1 iSIGHT软件简介
• 4.2.2 iSIGHT常用试验设计方法
• 4.2.3 iSIGHT集成试验设计步骤
• 4.3 功能函数的拟合
• 4.4 转向架构架可靠性分析
• 4.5 转向架构架可靠性灵敏度设计
• 4.5.1 正态分布参数的可靠性灵敏度计算方法
• 4.5.2 任意分布参数的可靠性灵敏度计算方法
• 4.5.3 可靠性灵敏度无量纲化
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢