鐵路重載通用敞車車體疲勞強度評估及結構優(yōu)化研究
發(fā)布時間：2020-12-10 11:06
隨著我國鐵路重載運輸?shù)牟粩喟l(fā)展,鐵路貨車在運用過程中出現(xiàn)的結構疲勞強度問題日益突出。目前我國各型鐵路通用敞車數(shù)量共計約為43.6萬輛,占鐵路貨車總保有量46%以上。受集載工況與運營條件的限制,各型鐵路通用敞車車體具有局部結構不對稱的特點,導致車體局部結構產(chǎn)生不同程度的剛度突變。在運用過程中,部分車體上剛度突變部位的焊縫連接處出現(xiàn)了疲勞裂紋,且其壽命遠低于車體的設計壽命。因此,有必要對鐵路通用敞車車體的疲勞強度與結構優(yōu)化設計進行深入研究,確立較為合理的車體疲勞強度評價方法與結構優(yōu)化設計方法,為車體抗疲勞設計提供理論支持,從設計源頭,提高通用敞車車體疲勞可靠性,降低檢修成本。目前,我國鐵路貨車車體疲勞強度評價采用的載荷譜主要參照美國AAR標準載荷譜與大秦線實測載荷譜,焊接接頭的疲勞性能參數(shù)主要參照AAR標準、英國BS標準、國際焊接學會IIW標準,但采用傳統(tǒng)方法對C80E型敞車車體疲勞強度評估的仿真結果與實際運用情況相差較大。基于此,本文在中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目“27t軸重通用貨車關鍵技術研究”支持下,以C80E型通用敞車車體為研究對象,對車體上典型焊接接頭的樣件進行了疲勞試驗,...
【文章來源】：北京交通大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：153 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
1 緒論
1.1 選題背景與工程意義
1.2 國內外研究現(xiàn)狀
1.2.1 結構疲勞研究現(xiàn)狀
1.2.2 車體疲勞強度評價研究現(xiàn)狀
1.2.3 車體結構優(yōu)化設計研究現(xiàn)狀
1.3 本文主要研究內容
1.4 本文技術路線
2 車體用主型鋼焊接接頭疲勞性能研究
2.1 基于小子樣的P-S-N曲線擬合方法研究
2.1.1 S-N曲線數(shù)學表達式及基本假設
2.1.2 疲勞壽命等效原理
2.1.3 樣本信息重構方法
2.1.4 基于小子樣的P-S-N曲線擬合方法
2.1.5 P-S-N曲線延拓方法
2.2 車體用主型鋼焊接接頭疲勞試驗
2.2.1 車體用主型鋼材料化學成分與力學性能
2.2.2 疲勞試驗
2.2.3 疲勞試驗結果分析
2.3 典型焊接接頭的P-S-N曲線擬合及延拓
2.3.1 T型接頭的P-S-N曲線擬合及延拓
2.3.2 搭接接頭的P-S-N曲線擬合及延拓
2.4 本章小結
3 車體關鍵焊縫應力分布及其與結構的相關性研究
3.1 基于均方差加權應力修勻方法
3.1.1 單元的最佳應力點
3.1.2 單元應力修勻方法
3.1.3 加權應力修勻方法
3.1.4 基于均方差加權的應力修勻方法
3.2 C80E車體結構及性能參數(shù)
3.2.1 C80E型敞車用途及車體結構特點
3.2.2 車體關鍵焊縫定義
3.2.3 主要性能參數(shù)及材料特性
3.3 車體有限元模型及加載方式
3.3.1 車體有限元模型
3.3.2 載荷及加載方式
3.4 關鍵焊縫應力分布分析
3.4.1 大橫梁焊縫應力分布
3.4.2 枕梁焊縫應力分布
3.5 局部不對稱結構與關鍵焊縫應力相關性研究
3.5.1 兩條大橫梁焊縫應力分布曲線在各模型中的定義
3.5.2 車體局部模型選取
3.5.3 大橫梁焊縫應力分布簇研究
3.5.4 大橫梁焊縫關鍵部位應力研究
3.5.5 基于皮爾遜相關系數(shù)的相關性分析
3.5.6 基于復相關系數(shù)的相關性分析
3.6 本章小結
4 車體結構優(yōu)化設計方法研究
4.1 結構優(yōu)化設計的數(shù)學模型與尋優(yōu)方法
4.1.1 結構優(yōu)化設計的數(shù)學模型
4.1.2 結構優(yōu)化設計的尋優(yōu)方法
4.2 MPSO-BP優(yōu)化算法
4.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡
4.2.2 MPSO優(yōu)化算法
4.2.3 MPSO-BP優(yōu)化算法
4.2.4 MPSO-BP優(yōu)化算法性能測試
4.3 車體結構設計策略及優(yōu)化方法研究
4.3.1 車體結構設計策略優(yōu)化
4.3.2 車體結構優(yōu)化設計方法
4.4 C80E型通用敞車車體結構優(yōu)化
4.4.1 車體結構布局優(yōu)化
4.4.2 內補強座結構優(yōu)化
4.4.3 大橫梁結構優(yōu)化
4.5 本章小結
5 基于結構剛度突變應力梯度方法的車體疲勞強度評價
5.1 車體疲勞強度評價基本理論及方法
5.1.1 名義應力評定方法
5.1.2 疲勞累積損傷理論
5.1.3 車體疲勞評估方法
5.2 基于結構剛度突變的應力梯度方法
5.2.1 結構剛度突變應力梯度路徑的定義
5.2.2 結構剛度突變的應力梯度方法
5.3 C80E車體裂紋統(tǒng)計分析
5.3.1 大橫梁焊縫裂紋統(tǒng)計
5.3.2 車體裂紋概率分析
5.4 基于實測應力譜的車體疲勞強度評估
5.4.1 測試方案
5.4.2 測點布置
5.4.3 數(shù)據(jù)信號處理
5.4.4 動應力測試結果分析
5.5 車體疲勞強度評價
5.5.1 基于載荷譜的疲勞強度評價方法
5.5.2 疲勞損傷分析
5.6 載荷譜損傷一致性校準研究
5.6.1 載荷譜損傷一致性準則
5.6.2 載荷譜損傷一致性校驗
5.6.3 載荷譜損傷一致性校準方法
5.6.4 結果分析
5.7 車體疲勞壽命評估
5.8 本章小結
6 車體關鍵部位應力強度因子與疲勞裂紋擴展速率研究
6.1 線彈性斷裂力學基本理論
6.1.1 裂紋擴展類型
6.1.2 裂紋尖端區(qū)域的應力場和位移場
6.1.3 應力強度因子
6.1.4 基于能量法的應力強度因子有限元求解
6.2 車體裂紋應力強度因子研究
6.2.1 車體簡化有限元模型的建立
6.2.2 計算結果分析
6.3 車體裂紋擴展速率研究
6.3.1 復合型裂紋的擴展準則
6.3.2 復合型疲勞裂紋擴展速率模型
6.3.3 有限元仿真分析
6.4 本章小結
7 結論與展望
7.1 論文的主要結論
7.2 論文的主要創(chuàng)新點
7.3 研究工作展望
參考文獻
作者簡歷及攻讀博士學位期間取得的研究成果
學位論文數(shù)據(jù)集
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于正交設計與GA-BP算法的鐵路貨車車體結構優(yōu)化[J]. 劉文飛,劉志明,胡偉鋼,張良,田迎利. 鐵道學報. 2019(05)
[2]基于均方差應力修勻的大橫梁焊縫疲勞損傷評估[J]. 劉文飛,劉志明,許昶,祁晨宇. 哈爾濱工程大學學報. 2019(05)
[3]C80E車體局部不對稱結構與關鍵焊縫應力分布相關性研究[J]. 劉文飛,劉志明,林莉,薛利. 北京交通大學學報. 2018(06)
[4]基于樣本信息重構的小子樣P-S-N曲線擬合方法[J]. 劉文飛,劉志明,薛海,賈裕祥. 鐵道學報. 2018(07)
[5]高速列車車體的靈敏度分析及輕量化設計[J]. 高月華,石曉飛,謝素明,杜禮明. 鐵道科學與工程學報. 2017(05)
[6]城軌列車轉向架鋁合金焊接枕梁的抗疲勞設計[J]. 劉志明,張冉,連青林. 北京交通大學學報. 2017(01)
[7]一種考慮應力梯度的疲勞壽命預測方法[J]. 申杰斌,唐東林. 中國機械工程. 2017(01)
[8]基于輕量化及剛度的鋁合金車體承載結構參數(shù)選擇研究[J]. 賀小龍,張立民,魯連濤,邱飛力,田愛琴. 鐵道學報. 2016(11)
[9]焊接結構的疲勞評定方法[J]. 張彥華,劉娟,杜子瑞,陶博浩. 航空制造技術. 2016(11)
[10]基于相互作用積分法的應力強度因子計算[J]. 宮經(jīng)全,張少欽,李禾,張宸宇. 南昌航空大學學報(自然科學版). 2015(01)
博士論文
[1]鐵路貨車車體疲勞試驗方法及關鍵技術研究[D]. 于躍斌.北京交通大學 2018
[2]基于實測載荷譜的重載貨車車鉤疲勞可靠性研究[D]. 薛海.北京交通大學 2017
[3]基于疲勞損傷累積理論的結構壽命預測與時變可靠性分析方法研究[D]. 彭兆春.電子科技大學 2017
[4]城際動車組轉向架構架載荷譜研究[D]. 鄒驊.北京交通大學 2016
[5]高速列車轉向架構架結構損傷一致性載荷譜理論研究[D]. 朱寧.北京交通大學 2016
[6]基于混合智能算法的結構可靠性分析與優(yōu)化設計[D]. 鄭燦赫.吉林大學 2015
[7]鐵路貨車車體載荷譜測試及疲勞強度評價研究[D]. 趙方偉.北京交通大學 2015
[8]高速列車外形多學科設計優(yōu)化關鍵技術研究[D]. 趙懷瑞.北京交通大學 2012
[9]鐵路重載貨車結構分析方法研究[D]. 姚曙光.中南大學 2010
[10]基于相關性的框架節(jié)點半剛性分析方法研究[D]. 潘建榮.汕頭大學 2009
碩士論文
[1]鐵道車輛轉向架構架疲勞壽命及損傷容限評價[D]. 段浩.西南交通大學 2018
[2]高速動車組車體鋁合金橫梁疲勞裂紋擴展研究[D]. 韋青山.北京交通大學 2018
[3]基于改進粒子群算法的動車組車體結構優(yōu)化設計研究[D]. 劉漢文.北京交通大學 2017
[4]C80貨車車體損傷容限研究[D]. 蔡世超.北京交通大學 2016
[5]C80E型通用敞車車體大橫梁焊縫裂紋研究[D]. 雷恩強.北京交通大學 2016
[6]基于線路試驗的C80車體結構載荷譜與動應力響應分析[D]. 趙一嬌.北京交通大學 2015
[7]基于擴展有限元法的復合（Ⅰ-Ⅱ）加載條件下CTS疲勞裂紋擴展行為研究[D]. 賀紅凱.南昌大學 2014
[8]重載貨車車體強度可靠性研究[D]. 于建東.大連交通大學 2013
[9]鐵路貨車車體優(yōu)化設計及焊縫疲勞壽命預測[D]. 段麗芳.大連交通大學 2010
[10]大秦線2萬噸重載列車車鉤縱向載荷譜的試驗研究及應用[D]. 黃倩.北京交通大學 2010
本文編號：2908587
【文章來源】：北京交通大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：153 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
1 緒論
1.1 選題背景與工程意義
1.2 國內外研究現(xiàn)狀
1.2.1 結構疲勞研究現(xiàn)狀
1.2.2 車體疲勞強度評價研究現(xiàn)狀
1.2.3 車體結構優(yōu)化設計研究現(xiàn)狀
1.3 本文主要研究內容
1.4 本文技術路線
2 車體用主型鋼焊接接頭疲勞性能研究
2.1 基于小子樣的P-S-N曲線擬合方法研究
2.1.1 S-N曲線數(shù)學表達式及基本假設
2.1.2 疲勞壽命等效原理
2.1.3 樣本信息重構方法
2.1.4 基于小子樣的P-S-N曲線擬合方法
2.1.5 P-S-N曲線延拓方法
2.2 車體用主型鋼焊接接頭疲勞試驗
2.2.1 車體用主型鋼材料化學成分與力學性能
2.2.2 疲勞試驗
2.2.3 疲勞試驗結果分析
2.3 典型焊接接頭的P-S-N曲線擬合及延拓
2.3.1 T型接頭的P-S-N曲線擬合及延拓
2.3.2 搭接接頭的P-S-N曲線擬合及延拓
2.4 本章小結
3 車體關鍵焊縫應力分布及其與結構的相關性研究
3.1 基于均方差加權應力修勻方法
3.1.1 單元的最佳應力點
3.1.2 單元應力修勻方法
3.1.3 加權應力修勻方法
3.1.4 基于均方差加權的應力修勻方法
3.2 C80E車體結構及性能參數(shù)
3.2.1 C80E型敞車用途及車體結構特點
3.2.2 車體關鍵焊縫定義
3.2.3 主要性能參數(shù)及材料特性
3.3 車體有限元模型及加載方式
3.3.1 車體有限元模型
3.3.2 載荷及加載方式
3.4 關鍵焊縫應力分布分析
3.4.1 大橫梁焊縫應力分布
3.4.2 枕梁焊縫應力分布
3.5 局部不對稱結構與關鍵焊縫應力相關性研究
3.5.1 兩條大橫梁焊縫應力分布曲線在各模型中的定義
3.5.2 車體局部模型選取
3.5.3 大橫梁焊縫應力分布簇研究
3.5.4 大橫梁焊縫關鍵部位應力研究
3.5.5 基于皮爾遜相關系數(shù)的相關性分析
3.5.6 基于復相關系數(shù)的相關性分析
3.6 本章小結
4 車體結構優(yōu)化設計方法研究
4.1 結構優(yōu)化設計的數(shù)學模型與尋優(yōu)方法
4.1.1 結構優(yōu)化設計的數(shù)學模型
4.1.2 結構優(yōu)化設計的尋優(yōu)方法
4.2 MPSO-BP優(yōu)化算法
4.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡
4.2.2 MPSO優(yōu)化算法
4.2.3 MPSO-BP優(yōu)化算法
4.2.4 MPSO-BP優(yōu)化算法性能測試
4.3 車體結構設計策略及優(yōu)化方法研究
4.3.1 車體結構設計策略優(yōu)化
4.3.2 車體結構優(yōu)化設計方法
4.4 C80E型通用敞車車體結構優(yōu)化
4.4.1 車體結構布局優(yōu)化
4.4.2 內補強座結構優(yōu)化
4.4.3 大橫梁結構優(yōu)化
4.5 本章小結
5 基于結構剛度突變應力梯度方法的車體疲勞強度評價
5.1 車體疲勞強度評價基本理論及方法
5.1.1 名義應力評定方法
5.1.2 疲勞累積損傷理論
5.1.3 車體疲勞評估方法
5.2 基于結構剛度突變的應力梯度方法
5.2.1 結構剛度突變應力梯度路徑的定義
5.2.2 結構剛度突變的應力梯度方法
5.3 C80E車體裂紋統(tǒng)計分析
5.3.1 大橫梁焊縫裂紋統(tǒng)計
5.3.2 車體裂紋概率分析
5.4 基于實測應力譜的車體疲勞強度評估
5.4.1 測試方案
5.4.2 測點布置
5.4.3 數(shù)據(jù)信號處理
5.4.4 動應力測試結果分析
5.5 車體疲勞強度評價
5.5.1 基于載荷譜的疲勞強度評價方法
5.5.2 疲勞損傷分析
5.6 載荷譜損傷一致性校準研究
5.6.1 載荷譜損傷一致性準則
5.6.2 載荷譜損傷一致性校驗
5.6.3 載荷譜損傷一致性校準方法
5.6.4 結果分析
5.7 車體疲勞壽命評估
5.8 本章小結
6 車體關鍵部位應力強度因子與疲勞裂紋擴展速率研究
6.1 線彈性斷裂力學基本理論
6.1.1 裂紋擴展類型
6.1.2 裂紋尖端區(qū)域的應力場和位移場
6.1.3 應力強度因子
6.1.4 基于能量法的應力強度因子有限元求解
6.2 車體裂紋應力強度因子研究
6.2.1 車體簡化有限元模型的建立
6.2.2 計算結果分析
6.3 車體裂紋擴展速率研究
6.3.1 復合型裂紋的擴展準則
6.3.2 復合型疲勞裂紋擴展速率模型
6.3.3 有限元仿真分析
6.4 本章小結
7 結論與展望
7.1 論文的主要結論
7.2 論文的主要創(chuàng)新點
7.3 研究工作展望
參考文獻
作者簡歷及攻讀博士學位期間取得的研究成果
學位論文數(shù)據(jù)集
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于正交設計與GA-BP算法的鐵路貨車車體結構優(yōu)化[J]. 劉文飛,劉志明,胡偉鋼,張良,田迎利. 鐵道學報. 2019(05)
[2]基于均方差應力修勻的大橫梁焊縫疲勞損傷評估[J]. 劉文飛,劉志明,許昶,祁晨宇. 哈爾濱工程大學學報. 2019(05)
[3]C80E車體局部不對稱結構與關鍵焊縫應力分布相關性研究[J]. 劉文飛,劉志明,林莉,薛利. 北京交通大學學報. 2018(06)
[4]基于樣本信息重構的小子樣P-S-N曲線擬合方法[J]. 劉文飛,劉志明,薛海,賈裕祥. 鐵道學報. 2018(07)
[5]高速列車車體的靈敏度分析及輕量化設計[J]. 高月華,石曉飛,謝素明,杜禮明. 鐵道科學與工程學報. 2017(05)
[6]城軌列車轉向架鋁合金焊接枕梁的抗疲勞設計[J]. 劉志明,張冉,連青林. 北京交通大學學報. 2017(01)
[7]一種考慮應力梯度的疲勞壽命預測方法[J]. 申杰斌,唐東林. 中國機械工程. 2017(01)
[8]基于輕量化及剛度的鋁合金車體承載結構參數(shù)選擇研究[J]. 賀小龍,張立民,魯連濤,邱飛力,田愛琴. 鐵道學報. 2016(11)
[9]焊接結構的疲勞評定方法[J]. 張彥華,劉娟,杜子瑞,陶博浩. 航空制造技術. 2016(11)
[10]基于相互作用積分法的應力強度因子計算[J]. 宮經(jīng)全,張少欽,李禾,張宸宇. 南昌航空大學學報(自然科學版). 2015(01)
博士論文
[1]鐵路貨車車體疲勞試驗方法及關鍵技術研究[D]. 于躍斌.北京交通大學 2018
[2]基于實測載荷譜的重載貨車車鉤疲勞可靠性研究[D]. 薛海.北京交通大學 2017
[3]基于疲勞損傷累積理論的結構壽命預測與時變可靠性分析方法研究[D]. 彭兆春.電子科技大學 2017
[4]城際動車組轉向架構架載荷譜研究[D]. 鄒驊.北京交通大學 2016
[5]高速列車轉向架構架結構損傷一致性載荷譜理論研究[D]. 朱寧.北京交通大學 2016
[6]基于混合智能算法的結構可靠性分析與優(yōu)化設計[D]. 鄭燦赫.吉林大學 2015
[7]鐵路貨車車體載荷譜測試及疲勞強度評價研究[D]. 趙方偉.北京交通大學 2015
[8]高速列車外形多學科設計優(yōu)化關鍵技術研究[D]. 趙懷瑞.北京交通大學 2012
[9]鐵路重載貨車結構分析方法研究[D]. 姚曙光.中南大學 2010
[10]基于相關性的框架節(jié)點半剛性分析方法研究[D]. 潘建榮.汕頭大學 2009
碩士論文
[1]鐵道車輛轉向架構架疲勞壽命及損傷容限評價[D]. 段浩.西南交通大學 2018
[2]高速動車組車體鋁合金橫梁疲勞裂紋擴展研究[D]. 韋青山.北京交通大學 2018
[3]基于改進粒子群算法的動車組車體結構優(yōu)化設計研究[D]. 劉漢文.北京交通大學 2017
[4]C80貨車車體損傷容限研究[D]. 蔡世超.北京交通大學 2016
[5]C80E型通用敞車車體大橫梁焊縫裂紋研究[D]. 雷恩強.北京交通大學 2016
[6]基于線路試驗的C80車體結構載荷譜與動應力響應分析[D]. 趙一嬌.北京交通大學 2015
[7]基于擴展有限元法的復合（Ⅰ-Ⅱ）加載條件下CTS疲勞裂紋擴展行為研究[D]. 賀紅凱.南昌大學 2014
[8]重載貨車車體強度可靠性研究[D]. 于建東.大連交通大學 2013
[9]鐵路貨車車體優(yōu)化設計及焊縫疲勞壽命預測[D]. 段麗芳.大連交通大學 2010
[10]大秦線2萬噸重載列車車鉤縱向載荷譜的試驗研究及應用[D]. 黃倩.北京交通大學 2010
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