留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测

赵利华 张开林 张红军

赵利华, 张开林, 张红军. 高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测[J]. 交通运输工程学报, 2008, 8(5): 27-32.
引用本文: 赵利华, 张开林, 张红军. 高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测[J]. 交通运输工程学报, 2008, 8(5): 27-32.
ZHAO Li-hua, ZHANG Kai-lin, ZHANG Hong-jun. Stress spectrum analysis and fatigue life prediction about wheel axle of high-speed power car[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2008, 8(5): 27-32.
Citation: ZHAO Li-hua, ZHANG Kai-lin, ZHANG Hong-jun. Stress spectrum analysis and fatigue life prediction about wheel axle of high-speed power car[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2008, 8(5): 27-32.

高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测

基金项目: 

教育部长江学者和创新团队发展计划项目 IRT0452

详细信息
    作者简介:

    赵利华(1977-), 男, 河北藁城人, 西南交通大学工学博士研究生, 从事结构疲劳与可靠性研究

    张开林(1967-), 男, 江苏镇江人, 西南交通大学研究员, 工学博士

  • 中图分类号: U260.331.1

Stress spectrum analysis and fatigue life prediction about wheel axle of high-speed power car

More Information
  • 摘要: 结合车辆系统在随机轨道谱激励下的动力响应与疲劳强度理论, 以“中华之星”高速动力车轴为例, 建立了动车系统的非线性动力学模型, 仿真车辆在典型线路上的运行特性, 获取作用于轮轴上的随机载荷谱。引入车轴材料的非线性本构关系, 进行轮轴的有限元分析, 得到车轴关键部位的应力时间历程, 对其进行统计分析后得到各危险点的应力谱。在此基础上, 运用局部应力应变法和累积损伤理论进行了车轴疲劳寿命估算和可靠性分析, 得到不同可靠度下的疲劳寿命。当可靠度为0.9时, 其疲劳寿命为16年。

     

  • 图  1  高速动车的非线性数学模型

    Figure  1.  Nonlinear mathematic model of high-speed power car

    图  2  左一系悬挂点处横向力Fig.2 Lateral force at left first suspension

    图  3  左一系悬挂点处垂向力Fig.3 Vertical force at left first suspension

    图  4  车轴应力分布

    Figure  4.  Stress distribution of axle

    表  1  左一系悬挂点处横向力载荷谱

    Table  1.   Lateral force spectrum at left first suspension

    等级 幅值/N 频次
    1 -51 222.759 49
    2 -39 261.349 254
    3 -27 188.548 8 231
    4 -15 116.239 278 742
    5 -3 042.312 2 170 000
    6 9 027.754 725 305
    7 21 209.351 48 786
    8 33 186.651 241
    下载: 导出CSV

    表  2  左一系悬挂点处垂向力载荷谱

    Table  2.   Vertical force spectrum at left first suspension

    等级 幅值/N 频次
    1 47 010.326 91
    2 63 086.126 12 450
    3 77 236.356 226 310
    4 93 285.568 1 440 000
    5 107 645.334 1 370 000
    6 122 809.394 224 207
    7 138 671.941 133 168
    8 149 365.764 146
    下载: 导出CSV

    表  3  右一系悬挂点处横向力载荷谱

    Table  3.   Lateral force spectrum at right first suspension

    等级 幅值/N 频次
    1 -41 212.423 137
    2 -30 512.436 2 047
    3 -18 964.769 59 781
    4 -8 978.389 689 573
    5 1 756.754 2 070 000
    6 12 311.245 401 476
    7 23 157.332 18 765
    8 34 012.834 151
    下载: 导出CSV

    表  4  右一系悬挂点处垂向力载荷谱

    Table  4.   Vertical force spectrum at right first suspension

    等级 幅值/N 频次
    1 3 006.125 15
    2 27 214.324 38
    3 60 521.187 9 651
    4 81 642.674 915 468
    5 105 789.347 2 370 000
    6 134 102.428 89 624
    7 160 732.941 78
    8 185 891.546 2
    下载: 导出CSV

    表  5  左圆弧过渡处应力谱

    Table  5.   Stress spectrum at left arc transition

    等级 幅值/MPa 频次 累积频次
    1 32.26 13 124 2 919 207
    2 46.12 213 471 2 906 083
    3 77.35 364 210 2 692 612
    4 93.58 853 641 2 328 402
    5 107.33 1 264 837 1 474 761
    6 132.39 195 784 209 924
    7 167.75 13 168 14 140
    8 204.64 972 972
    下载: 导出CSV

    表  6  右圆弧过渡处应力谱

    Table  6.   Stress spectrum at right arc transition

    等级 幅值/MPa 频次 累积频次
    1 33.17 37 052 2 877 874
    2 50.41 172 361 2 840 822
    3 72.43 357 641 2 668 461
    4 91.27 1 220 959 2 310 820
    5 103.58 1 064 935 1 089 861
    6 128.93 23 865 24 926
    7 156.77 865 1 061
    8 186.65 196 196
    下载: 导出CSV

    表  7  不同可靠度下的疲劳寿命

    Table  7.   Fatigue lifes with various reliabilities

    R 0.5 0.9 0.95 0.99 0.999 0.999 9
    F 0.5 0.1 0.05 0.01 0.001 0.000 1
    t/年 46.0 16.0 11.0 6.5 4.5 4.0
    下载: 导出CSV
  • [1] 赵文礼, 李忠学, 赵邦华. 客车随机响应计算与车轴疲劳寿命预测[J]. 铁道学报, 1998, 20(4): 120-125. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDXB804.020.htm

    ZHAO Wen-li, LI Zhong-xue, ZHAO Bang-hua. Calculation of vehicle random response and prediction of axle fatigue life[J]. Journal of the China Rail way Society, 1998, 20(4): 120-125. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDXB804.020.htm
    [2] 梁红琴, 邬平波, 关雪梅. 随机载荷作用下货车车轴的疲劳应力计算[J]. 机械, 2004, 31(4): 36-39. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MECH200404014.htm

    LI ANG Hong-qin, WU Ping-bo, GUAN Xue-mei. Fatigue stress calculation of freight car axle under randomloads[J]. Machinery, 2004, 31(4): 36-39. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MECH200404014.htm
    [3] 严晓明, 罗世辉, 马卫华. 单轮对纵向动力学数值分析[J]. 电力机车与城轨车辆, 2005, 28(6): 22-24. doi: 10.3969/j.issn.1672-1187.2005.06.008

    YAN Xiao-ming, LUO Shi-hui, MA Wei-hua. Numerical analysis of longitudinal dynamics of single wheelset[J]. Elec-tric Locomotives and Mass Transit Vehicles, 2005, 28(6): 22-24. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-1187.2005.06.008
    [4] 罗世辉, 陈康, 张红军. "中华之星"高速动车动力学性能分析[R]. 成都: 西南交通大学, 2005.
    [5] 肖守讷, 阳光武, 金鼎昌. 基于弹性体几何非线性的多体系统动力学分析[J]. 机械, 2004, 31(2): 7-9. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MECH200402002.htm

    XIAO Shou-ne, YANG Guang-wu, JIN Ding-chang. Dynamics analysis of multibody system based on geometric nonlinear characteristic of elastic body[J]. Machinery, 2004, 31(2): 7-9. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MECH200402002.htm
    [6] 封全保, 孙守光, 刘建新, 等. 六轴机车在弹性结构轨道上耦合动力学模型[J]. 农业装备与车辆工程, 2006, 44(4): 24-28. doi: 10.3969/j.issn.1673-3142.2006.04.006

    FENG Quan-bao, SUN Shou-guang, LI U Jian-xin, et al. Dynamic model coupled between six-axles locomotive and elastic track[J]. Agricultural Equipment and Vehicle Engi-neering, 2006, 44(4): 24-28. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1673-3142.2006.04.006
    [7] 徐灏. 机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1991.
    [8] 赵少汴, 王忠保. 抗疲劳设计——方法与数据[M]. 北京: 机械工业出版社, 1997.
    [9] 赵永翔, 杨冰, 张卫华. 随机疲劳长裂纹扩展率的新概率模型[J]. 交通运输工程学报, 2005, 5(4): 6-9. http://transport.chd.edu.cn/article/id/200504002

    ZHAO Yong-xiang, YANG Bing, ZHANG Wei-hua. Probabilistic model of random-long fatigue crack propagation rates[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2005, 5(4): 6-9. (in Chinese) http://transport.chd.edu.cn/article/id/200504002
    [10] [美]SURESHS. 材料的疲劳[M]. 王中光, 译. 北京: 国防工业出版社, 1999.
    [11] 黄小平, 崔维成, 石德新. 潜艇锥柱结合壳焊趾表面裂纹疲劳寿命计算[J]. 船舶力学, 2002, 6(4): 62-68. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CBLX200204006.htm

    HUANG Xiao-ping, CUI Wei-cheng, SHI De-xin. Calculation of fatigue life of surface cracks at weld toe of submarine cone-cylinder shell[J]. Journal of Ship Mechanics, 2002, 6(4): 62-68. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CBLX200204006.htm
    [12] 机械工程材料性能数据手册编委会. 机械工程材料性能数据手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1995.
    [13] 朱文予. 机械可靠性设计[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 1992.
    [14] 赵永翔, 何朝明, 杨冰. LZ50钢断裂韧度的合理统计模型[J]. 工程力学, 2005, 22(4): 149-154. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCLX200504027.htm

    ZHAO Yong-xiang, HE Chao-ming, YANG Bing. Reasonable statistical model for randomfracture toughness data of LZ50 axle steel[J]. Engineering Mechanics, 2005, 22(4): 149-154. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCLX200504027.htm
    [15] 商跃进. 车轴疲劳裂纹扩展寿命可靠性分析方法[J]. 兰州铁道学院学报: 自然科学版, 2003, 22(5): 44-46. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LZTX200304011.htm

    SHANG Yue-jin. Reliability analysis method for fatigue crack grown life of axle[J]. Journal of Lanzhou Rail way Uni-versity: Natural Sciences, 2003, 22(5): 44-46. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LZTX200304011.htm
  • 加载中
图(4) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  234
  • HTML全文浏览量:  79
  • PDF下载量:  632
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2008-02-05
  • 刊出日期:  2008-10-25

目录

    /

    返回文章
    返回