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30t轴重双浴盆敞车车体焊接结构抗疲劳设计

作　者: 李涛
导　师: 谢素明
学　校: 大连交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 重载敞车焊接结构疲劳寿命预测
分类号: U272.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着国民经济的进一步发展,货物运输紧张的瓶颈现象突出,已经制约了一些地区的经济发展。所以,载重大、自重轻的大轴重货车的研发工作渐显紧迫。已投入大秦铁路使用的重载列车,在检修中已发现枕梁焊接部位存在疲劳裂纹问题,这对重载货车安全运行已构成了相当大的威胁。因此,本文以30t轴重双浴盆敞车为研究对象,在车体设计初期,开展车体疲劳寿命预测工作,为车体的抗疲劳设计提供指导,提高大轴重货车的使用寿命。首先,依据30t轴重双浴盆敞车车体结构创建用于车体静强度分析的有限元模型;结合AAR标准与TB的要求,确定了重载敞车的九种计算载荷工况;经过车体多方案的有限元计算对比分析,最终方案的车体静强度与刚度满足设计要求。然后,基于名义应力法对30t轴重敞车车体关键部位进行了疲劳寿命预测。车体结构疲劳寿命预测的载荷谱取自AAR标准的90.7t高边敞车心盘载荷、车钩以及旁承总载荷的线路环境事件百分率谱,90.7t漏斗车车体扭矩的线路环境事件百分率谱;评估部位的疲劳性能参数取自BS标准。寿命预测结果表明:该车车体的疲劳寿命均能满足设计要求,疲劳相对薄弱部位为枕梁加强筋与边梁焊缝处。最后,运用美国ASME标准中最新的结构应力法对30t轴重双浴盆敞车车体的焊缝进行了应力集中计算和疲劳寿命预测。依据30t轴重双浴盆敞车车体结构和焊接工艺图创建用于车体焊缝应力集中计算和疲劳寿命预测的有限元模型,根据垂向载荷、纵向载荷、扭转载荷和横向载荷的有限元分析结果,提取各载荷工况的节点力,获得车体的焊缝的结构应力分布规律;根据AAR标准提供的垂向心盘载荷谱、纵向载荷谱、扭转载荷谱和旁承载荷谱,对车体的关键部位的焊缝进行了寿命预测,结果表明:横梁与中梁焊缝端头、横梁下盖板与侧梁端头焊缝累积损伤值略高,不满足设计要求。建议对上述部位进行必要的工艺处理,对焊接工艺质量进行严格控制。基于名义应力法和等效结构应力法的疲劳寿命预测对比分析表明:前者无法获得焊缝上应力集中分布和难以获得焊接接头的疲劳性能参数;后者利用的等效结构应力是运用断裂力学原理推导出来的,对影响疲劳评估因素综合考虑,具有更高的应用价值。本课题得到铁道部科技研究开发计划重点课题《大轴重货车焊接结构焊缝疲劳寿命研究与应用》(课题号:2009J005-C)的资助。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-18
  1.1 课题研究的目的和意义  11-12
  1.2 国外重载运输现状  12-13
  1.3 国内重载运输发展  13-14
  1.4 车体疲劳寿命预测方法研究概况  14-16
  1.5 本文研究内容  16-17
  本章小结  17-18
第二章疲劳寿命预测基本方法  18-40
  2.1 基本概念  18-29
    2.1.1 疲劳载荷  18-20
    2.1.2 材料的S-N 曲线  20-21
    2.1.3 无限寿命设计  21-24
    2.1.4 有限寿命设计  24-26
    2.1.5 名义应力  26-27
    2.1.6 热点应力  27-28
    2.1.7 结构应力  28-29
  2.2 名义应力法  29-34
    2.2.1 AAR 标准的疲劳评估方法  30-32
    2.2.2 IIW 标准的疲劳评估方法  32-33
    2.2.3 BS 标准的疲劳评估方法  33-34
  2.3 等效结构应力法  34-38
  2.4 多载荷通道疲劳寿命计算方法  38-39
  本章小结  39-40
第三章 30t 轴重双浴盆敞车车体的静强度分析  40-53
  3.1 车体结构简介  40
  3.2 车体强度分析的有限元模型  40-42
  3.3 载荷及约束条件  42-45
  3.4 评定标准  45-46
    3.4.1 刚度评定  45
    3.4.2 强度评定  45-46
  3.5 车体有限元计算结果  46-52
    3.5.1 刚度计算结果  46
    3.5.2 强度计算结果  46-52
  3.6 结果分析  52
  本章小结  52-53
第四章基于名义应力法的30t 轴重敞车车体抗疲劳设计  53-71
  4.1 基于名义应力法车体寿命预测技术路线  53-54
  4.2 疲劳寿命分析有限元模型  54-58
    4.2.1 车体有限元模型  54
    4.2.2 有限元分析结果  54-56
    4.2.3 车体疲劳寿命评估点位置  56-58
  4.3 车体疲劳分析的载荷谱  58
  4.4 主要疲劳预测部位的焊接接头形式确定  58-60
  4.5 疲劳寿命预测  60-70
    4.5.1 疲劳寿命具体计算方法  60-65
    4.5.2 疲劳寿命预测结果  65-70
  本章小结  70-71
第五章基于等效结构应力法的30t 轴重敞车车体抗疲劳设计  71-96
  5.1 基于等效结构应力法的车体疲劳寿命预测方法  71
  5.2 车体焊缝疲劳寿命分析模型  71-77
    5.2.1 疲劳寿命分析有限元模型  73-74
    5.2.2 有限元分析结果  74-75
    5.2.3 疲劳分析焊缝位置  75-77
  5.3 评估焊缝各工况结构应力分析结果  77-93
  5.4 疲劳寿命预测  93-94
  5.5 基于两种方法的疲劳寿命预测结果对比  94-95
  本章小结  95-96
结论与展望  96-97
参考文献  97-99
附录 AAR 标准疲劳载荷谱  99-110
攻读硕士学位期间发表的学术论文  110-111
致谢  111-112

30t轴重双浴盆敞车车体焊接结构抗疲劳设计

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