基于虚拟激励法对转向架构架随机振动疲劳寿命的研究

摘要

随着我国地铁车辆不断地提速，其运行的工作环境也愈加恶劣，这便导致转向架构架开裂现象时有发生。为了探究构架开裂的原因，本文以某城市地铁车辆为研究对象，从转向架设计初期阶段的疲劳仿真计算角度出发，将如何快速、准确地获取轨道不平顺激励下构架的振动响应及如何精确地评估构架的随机振动疲劳作为科学问题进行研究。　　首先基于结构动力学、计算力学等相关力学理论，推导了轨道不平顺激励下，基于虚拟激励算法并通过大质量法直接求解轨道车辆振动响应的运动微分方程；然后建立了某城市地铁车辆的简化整车有限元模型；再后根据此运动微分方程的结构形式，在有限元模型中的轮轨接触点处置入大质量点，再将轨道不平顺激励转化为虚拟简谐力荷载的形式施加于大质量点；此后通过有限元软件求解了转向架振动响应功率谱，并进一步计算了构架焊缝振动响应的等效结构应力功率谱密度；最后分别基于频域名义应力法与频域等效结构应力法对转向架构架进行了疲劳寿命预测，并对两种方法的计算过程、计算结果以及计算特点进行了对比分析。　　基于本文的分析与研究得到以下结论：　　(1)基于虚拟激励算法，通过在轮轨接触点处置入大质量点，再将轨道不平顺激励转化为虚拟简谐力荷载的形式施加于大质量点，可快速、直接地求解轨道车辆振动响应的绝对位移功率谱。同时也避开了相对运动法求解拟静力矩阵的繁琐，极大地便于了虚拟激励法在有限元软件中的实现。　　(2)构架电机吊座焊缝的应力(第一主应力或等效结构应力)功率谱密度的主频位于弹性扭转模态(46.6 Hz)，而转臂定位座焊缝的应力功率谱密度的主频位于构架横移模态(14.4 Hz)，其余母材或焊缝的应力功率谱密度的响应峰值频率主要分布于部分刚性模态或弹性扭转、侧梁水平剪切模态。除此之外，制动座出现刚度不足现象，表现为其应力功率谱密度存在峰值频率位于构架局部模态(37.9 Hz)。　　(3)轨道不平顺激励下，频域名义应力法预测的构架母材疲劳最薄弱点位于制动座母材结构处，其疲劳寿命为238万公里，这与制动座结构刚度不足有关。频域名义应力法与频域等效结构应力法预测的构架焊缝疲劳寿命最薄弱点一致，均为转臂定位座焊缝处(节点3485649)，疲劳寿命分别为649万公里与556万公里，但频域等效结构应力法预测的寿命更偏于安全。同时频域等效结构应力法的力学特性表明，其计算的疲劳寿命结果具有较高的精确性，且相比于频域名义应力法每次计算疲劳寿命结果的离散性，频域等效结构应力法计算的疲劳寿命结构却具有较好地一致性。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景与实际意义

1.1.1 转向架构架动应力求解问题

1.1.2 焊接结构振动疲劳寿命评估问题

1.2振动疲劳国内外研究现状

1.3 本文研究工作

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线图与研究目的

第2 章结构振动理论

2.1 确定性振动

2.1.1 单自由度系统在一般激励下的振动

2.1.2 多自由度系统在一般激励下的振动

2.2 随机振动的谱分析法

2.2.1 功率谱密度的定义

2.2.2 单自由度系统随机振动的谱分析法

2.2.3 多自由度系统随机振动的谱分析法

2.3 虚拟激励法

2.3.1 单点平稳随机激励的虚拟激励算法

2.3.2 多点平稳随机激励的虚拟激励算法

2.4 基础运动激励下结构的动力响应

2.4.1 一致基础运动激励下结构的动力响应

2.4.2 多点基础运动激励下结构的动力响应

2.5 一致/多点基础运动激励的虚拟激励法

2.5.1 一致基础运动激励的虚拟激励法

2.5.2 多点基础运动激励的虚拟激励法

2.6 本章小结

第3 章基于虚拟激励法求解构架振动响应功率谱密度

3.1 轨道不平顺

3.1.1 轨道不平顺及其统计描述

3.1.2 空间频率谱与时间频率谱的转换

3.2 多维多点轨道不平顺激励功率谱密度矩阵

3.2.1 多维多点轨道不平顺激励功率谱密度矩阵的推导

3.2.2 多维多点轨道不平顺激励功率谱密度矩阵的分解

3.3 轨道车辆有限元模型的建立

3.4 转向架构架模态分析

3.5 虚拟激励法求解构架振动响应理论在有限元软件中的实现步骤

3.6 转向架构架振动响应功率谱密度

3.7 本章小结

第4 章 转向架构架随机振动疲劳寿命预测

4.1 现阶段轨道车辆焊接结构抗疲劳能力的认知误区

4.2 基于名义应力法预测构架随机振动疲劳寿命

4.2.1 名义应力法的定义与疲劳寿命预测步骤

4.2.2 频域名义应力法预测构架随机振动疲劳寿命

4.3 等效结构应力法的理论

4.3.1 网格不敏感性的结构应力

4.3.2 主S-N曲线

4.3.3 等效结构应力法与名义应力法的区别

4.4 基于频域等效结构应力法预测构架随机振动疲劳寿命

4.4.1 频域等效结构应力

4.4.2 等效结构应力功率谱密度及疲劳寿命预测

4.5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及参加科研项目

学位论文数据集