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基于虚拟激励的车体结构随机疲劳问题研究

作　者: 赵银庆
导　师: 赵岩
学　校: 大连理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 虚拟激励法 车体结构 简谐分析 随机振动 疲劳分析
分类号: U270.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着高速列车速度的不断提高,车体受轨道不平顺、弓网振动以及车体与空气的动态作用等随机激励的影响越来越明显。车体在随机环境中的动力响应以及疲劳问题在列车的动力设计与安全运营方面显得越来越重要。由于传统随机振动分析CQC方法计算效率的局限,以往的车体随机振动研究往往采用过于简化的模型,这对于精细动力学仿真而言无疑存在很大不足。虚拟激励法是近年来发展起来的随机振动高效算法,本文根据虚拟激励法将平稳随机振动分析转化为简谐振动分析的特点,借助通用有限元谐响应分析模块实现了应用虚拟激励法进行复杂车体结构的随机振动问题研究,进一步结合现有的疲劳分析理论对车体结构危险部位进行了疲劳分析。具体工作有以下三个方面：首先,介绍了常用的时域/频域疲劳理论与方法。对于结构随机振动问题而言,基于应力功率谱密度疲劳损伤计算方法涉及应力时程的功率谱密度、概率密度等统计量,而不涉及应力时程的随机幅值序列,具有很好的应用优势,而其分析的关键是选择适合的应力幅值概率密度模型。本部分给出了常用的适于不同带宽的应力幅值概率密度模型,同时,对疲劳失效模型和疲劳分析中应力集中问题的处理也进行了研究探讨。其次,提出了实数域平稳随机振动分析的虚拟激励法。通常虚拟激励法进行随机振动分析时,构造复简谐激励形式,不是十分适合直接应用现有商用有限元谐响应分析模块。针对此不足,本部分推导了一致平稳随机激励和考虑行波效应下实数域简谐响应分析求解平稳随机振动问题的虚拟激励法计算形式,借助通用有限元软件简谐响应分析模块即可实现复杂结构随机振动的虚拟激励分析。对二自由度体系、平面桁架结构及大跨度斜拉桥结构进行了数值仿真,通过与复数域计算结果比较,验证方法的有效性。最后,在前两部分工作的基础上对于高速列车车体弹性体结构随机振动及疲劳问题进行了研究。采用改进的加窗法将空气弹簧激励处试验测试力时程样本曲线转换为力功率谱。进一步应用本文提出的实数域简谐响应分析实现了求解单源同相位以及异相位随机激励下车体结构平稳随机振动问题。应用三种不同模型将车体危险点的应力功率谱密度转换为应力幅值概率密度,结合Palmgren-Miner线性累积损伤准则进行了疲劳损伤估计,并比较了三区间疲劳分析法对车体关键部位进行的随机疲劳仿真分析。结果表明所计算的车体结构满足抗疲劳强度设计要求。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 引言  9
  1.2 车体结构随机振动研究概述  9-11
    1.2.1 轨道不平顺  9-10
    1.2.2 车体随机振动分析模型  10-11
    1.2.3 车体随机振动分析方法  11
  1.3 车体结构随机疲劳分析研究现状  11-13
    1.3.1 随机疲劳分析方法  11-12
    1.3.2 车体随机疲劳分析  12-13
  1.4 本文主要工作  13-15
2 疲劳分析理论与方法  15-21
  2.1 时域疲劳分析方法  15
  2.2 频域疲劳分析方法  15-18
    2.2.1 Bendat模型  16
    2.2.2 Wirsching模型  16-17
    2.2.3 Dirlik模型  17
    2.2.4 三区间法  17-18
  2.3 疲劳失效模型  18-19
  2.4 疲劳分析中应力集中的处理  19
  2.5 本章小结  19-21
3 随机振动虚拟激励法的复域与实域形式  21-35
  3.1 复域结构平稳随机振动分析的虚拟激励法  21-23
    3.1.1 单源同相位平稳随机激励  21-22
    3.1.2 单源异相位平稳随机激励  22-23
  3.2 实域结构平稳随机振动分析的虚拟激励法  23-28
    3.2.1 平稳随机力激励动力响应  24-25
    3.2.2 平稳随机加速度激励动力响应  25-27
    3.2.3 商用程序简谐响应分析实现虚拟激励法流程  27-28
  3.3 数值仿真  28-34
    3.3.1 二自由度体系  28-29
    3.3.2 平面桁架  29-31
    3.3.3 斜拉桥  31-34
  3.4 本章小结  34-35
4 基于随机振动车体结构随机疲劳分析  35-49
  4.1 功率谱估计  35-38
    4.1.1 经典功率谱估计  35-36
    4.1.2 现代功率谱估计  36-38
  4.2 车体结构随机振动分析  38-47
    4.2.1 有限元模型  38
    4.2.2 模态分析  38-40
    4.2.3 一致激励下随机振动分析  40-43
    4.2.4 完全相干激励下随机振动分析  43-47
  4.3 车体频域疲劳分析  47-48
  4.4 本章小结  48-49
总结与展望  49-50
参考文献  50-53
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  53-54
致谢  54-56

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中图分类: > 交通运输 > 铁路运输 > 车辆工程 > 一般性问题 > 车辆理论及试验
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