多因素影响下的高速列车车体疲劳全寿命预测方法研究

With the increasing speed and lightweight design of high speed train, the fatigue reliability of train carbody is more and more important to safety of train operation. The fatigue reliability of carbody is researched by means of theory analysis, numerical computation and experiment methods in order to control the influence factors to fatigue life of carbody and insure the safety reliability of high speed train from the viewpoint of design, manufacture and operation. Fistly, the decoupling method is adopted to study the carbody fatigue influenced by vibration, aerodynamic load, welding residual stress and other static random variable. Secondly, the carbody whole life is predicted through coupling multifactor. There ars many problems in the case, such as multiaxis stress analysis method of thin wall structure, stress anlysis of weld location, sub-model analysis method and load spectrum established based on equivalent damage. Lastly, the accelerated life test methods of carbody is studied according to theory. In this project, the research results will become reliability evaluation method of high speed train carbody structure based on design, manufacture and operation and provide corresponding control measures. At the same time, combined to theory and simulation analysis results, theory and experiment researched results will be applied to engineering practice so as to instruct the design of hign speed train carbody.

随着铁路列车速度的提高和轻量化的设计，车体结构的疲劳可靠性对高速列车的安全性显得非常重要。针对高速列车车体结构，从设计制造运营一体化的角度出发，以控制影响车体疲劳寿命的各主要因素、保证高速列车车体的安全可靠性为目标，采用解耦的方法，研究高速条件下振动、气动载荷、焊接残余应力以及其它静态随机变量对车体疲劳的影响机理；采用耦合各因素的方法，研究车体疲劳全寿命的预测方法，其中包括车体所采用的薄板结构的多轴应力分析方法、焊缝部位应力分析方法、子模型分析方法以及损伤一致原则的载荷谱的编制研究；理论和试验研究车体结构的加速寿命试验方法等。本项目的研究成果将形成设计制造运营一体化的高速列车车体结构可靠性评价方法，并给出相应的控制技术措施。同时结合大量的理论仿真分析结果，将理论研究成果应用于工程实际，指导高速列车车体结构的设计。

摘要：本项目针对高速列车车体结构，从设计-制造-运营一体化角度出发，对多因素影响下的高速列车车体疲劳寿命预测方法进行研究。其中包括高速条件下振动，气动载荷，焊接残余应力和多个随机变量对车体疲劳损伤的影响，以及车体疲劳评估方法研究和加速寿命试验方法研究。项目进行中首先对车辆运行过程中车体上的载荷谱进行时频分析，采用模态叠加法预测车体振动疲劳寿命，分别计算各阶模态对损伤的影响，找出了对车体振动损伤影响较大的有害模态；之后，采用时间积分方法将气动载荷转化为多工况疲劳载荷研究气动载荷，并基于标准采用Goodman曲线对车体疲劳强度进行评估，分析指出气动载荷对车体侧墙影响较大，对车体底架以及司机室影响较小；采用热-弹塑性法仿真分析车体侧墙及车顶焊缝处的残余应力，并将仿真结果与实测结果进行对比，发现两种方法得到的结果趋势相同，但残余应力仿真结果较实测结果大；采用蒙特卡罗方法分析了板厚、静态载荷及材料特性这些非确定性参数对车体应力的灵敏度，分析其对车体疲劳强度可靠性的影响；根据应力强度干涉理论以及材料疲劳强度退化理论，本研究分别分析了考虑强度退化与未考虑强度退化时车体的疲劳强度可靠度；在车体疲劳寿命预测方法研究中，研究了薄板结构的多轴应力分析方法，基于等效结构应力的车体裂纹扩展寿命分析方法以及载荷谱转化为关键点应力谱的数值方法；最后，本研究基于FKM标准进行车体加速载荷谱编制，根据不同的损伤累计模型分析了低-高/高-低加载顺序对疲劳损伤的影响规律，车体静强度及疲劳强度试验结果与有限元法仿真结果具有较好的一致性。本项目已发表论文16篇，已录用待发表1篇，软件登记注册2项。培养硕士生8名，其中5名已经取得硕士学位，3名在读。