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铝合金车体抗疲劳能力研究

作　者: 刘坤
导　师: 陈秉智
学　校: 大连交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 高速动车组疲劳分析等效结构应力腐蚀疲劳
分类号: U270.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

铁路是一个国家重要的基础设施,不仅在军事上起着至关重要的作用,而且也是社会经济发展的前提,铁路也是国民经济的大动脉和大众化的交通工具,在现代各项交通运输中发挥着重要的作用,是所有运输行业的中流砥柱。近年来轨道交通事业的发展,我国铁路交通的发展向车身的轻量化,速度的高速化,运行的安全化的方向发展,高速动车组成为了高速铁路的代表,然而在车体轻量化和高速化过程中,也常常带着一些安全隐患,对车体的刚度和强度的要求很大。疲劳寿命问题成为设计、制造高速动车组的核心问题之一。为了能够更好地实现高速动车组的可靠性和安全性,本文着重考虑高速动车组车体的抗疲劳性能。首先,本文在CRH3高速动车组车体结构了解的基础上,利用虚拟仿真手段建立铝合金车体头车有限元模型,并根据EN12663-2010标准,对车体垂向施加±0.2g的加速度,横向和纵向两个方向施加±0.15g的加速度,并为了安全考虑,对车体额外施加向内和向外3KPa压强,一共七种工况来分析车体的抗疲劳性能,利用ANSYS11.0强度分析软件计算七种疲劳工况下的疲劳强度,并采用基于无限寿命设计方法对整个车体进行疲劳性能分析。其次,采用基于名义应力法的国际焊接学会ⅡW标准,对车体有限元模型分析,结合焊接图纸找出疲劳分析中所关心的焊缝,从中选出六条焊缝进行分析,在强度分析结果中提取六条焊缝相应观测点的第一主应力,根据ⅡW标准选取合适的焊接接头和对应的相关参数,利用线性累积损伤理论评估焊缝的疲劳损伤和寿命。再次,采取目前最为精准的美国ASME标准的等效结构应力法再次对模型进行分析,利用自主研发的疲劳分析软件FE-WELD计算出有限元模型的等效结构应力和疲劳损伤值,将基于无限寿命设计方法、基于名义应力ⅡW标准和基于美国ASME标准这三种疲劳分析方法进行比较,从各方法的优缺点和计算结果的接近程度来评价各标准的准确程度。最后,考虑腐蚀疲劳对高速动车组车体的影响,也采取美国ASME标准的等效结构应力法重新对车体进行分析。将其结果与无腐蚀状态下的疲劳结果进行比较,得出腐蚀疲劳对车体的影响不容忽略。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-20
  1.1 选题背景及意义  10-12
  1.2 铝合金在轨道车辆上的应用  12-15
    1.2.1 铝合金车体的发展  12-13
    1.2.2 铝合金车体的特点  13-14
    1.2.3 铝合金车体制造的关键技术  14-15
  1.3 疲劳研究的发展状况  15-16
  1.4 疲劳应用在轨道车辆上的重要性  16-17
  1.5 腐蚀疲劳的概述  17-19
  1.6 本文研究的内容  19
  本章小结  19-20
第二章疲劳相关基本理论  20-33
  2.1 疲劳评估的基本概念  20-23
    2.1.1 疲劳极限  20
    2.1.2 疲劳破坏  20
    2.1.3 无限寿命设计  20-21
    2.1.4 有限寿命设计  21
    2.1.5 名义应力  21-22
    2.1.6 几何应力  22
    2.1.7 结构应力  22-23
  2.2 疲劳累积损伤理论概述  23-25
    2.2.1 线性疲劳累积损伤理论  23-24
    2.2.2 双线性疲劳累积损伤理论  24-25
    2.2.3 非线性疲劳累积损伤理论  25
    2.2.4 基于热力学势的疲劳累积损伤理论  25
  2.3 基于名义应力法的疲劳评估标准  25-29
    2.3.1 美国新造货车抗疲劳设计AAR标准  25-26
    2.3.2 国际焊接学会IIW标准  26-28
    2.3.3 英国钢结构疲劳评估BS标准  28-29
  2.4 等效结构应力法  29-31
  2.5 腐蚀疲劳寿评估方法概述  31-32
    2.5.1 解析法  31-32
    2.5.2 能量法  32
    2.5.3 试验法  32
  本章小结  32-33
第三章基于无限寿命设计方法的高速动车组车体抗疲劳设计  33-41
  3.1 高速动车组车体结构及有限元模型简介  33-35
    3.1.1 车体结构简介  33-34
    3.1.2 车体有限元简介  34-35
  3.2 车体疲劳强度评估载荷工况  35-36
  3.3 基于无限寿命设计方法车体寿命预测技术路线  36-37
  3.4 有限元分析结果  37-40
  3.5 车体寿命评估  40
  本章小结  40-41
第四章基于名义应力法的高速动车组车体抗疲劳设计  41-54
  4.1 基于IIW标准的车体抗疲劳设计的思想路线  41
  4.2 车体疲劳评估择缝测试点的选取  41-42
  4.3 疲劳预测部位的焊接接头形式的确定  42
  4.4 疲劳强度计算结果分析及评价  42-53
  本章小结  53-54
第五章基于ASME标准的高速动车组车体抗疲劳设计  54-67
  5.1 基于ASME标准的车体抗疲劳设计的思想路线  54-55
  5.2 FE-WELD疲劳分析软件的介绍  55
  5.3 评估焊缝结构应力分析结果  55-62
  5.4 疲劳寿命预测  62-64
  5.5 三种疲劳方法的对比  64-66
  本章小结  66-67
第六章基于ASME标准的高速动车组车体抗腐蚀疲劳设计  67-81
  6.1 高速动车组车体腐蚀疲劳分析方法简述  67
  6.2 有限元分析结果  67-70
  6.3 评估焊缝结构应力分析结果  70-76
  6.4 腐蚀疲劳寿命预测  76-78
  6.5 腐蚀疲劳与无腐蚀疲劳的对比  78-80
  本章小结  80-81
结论与展望  81-83
参考文献  83-85
攻读硕士期间发表的论文  85-86
致谢  86

铝合金车体抗疲劳能力研究

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