铁路货车钩尾框疲劳性能可靠性研究

论文摘要

随着货车重载、提速的发展，车辆的纵向冲击及牵引载荷大幅增加，车钩缓冲装置部件的疲劳寿命明显下降，给铁路运输安全带来了严重隐患，因此有必要对典型钩尾框的疲劳性能进行系统研究。据有关资料显示，几乎所有类型的钩尾框出现疲劳裂纹的位置都在钩尾框后弯角与框身连接处（以下简称连接处）。通过在后端面施加均载进行大量有限元计算发现，绝大部分型号的钩尾框疲劳薄弱位置往往并非是现场实际断裂位置。相关资料表明，当车钩受到冲击或牵引力时，在垂直于钩尾框后端面内产生一个角度很小的斜向上压力（它的向上分力以下简称上翘力，斜向上角度以下简称上翘角度），并且该力偏离钩尾框后端面中心（以下简称偏心）。本文以17型钩尾框（改进前）（以下简称17改前）为例进行了理论受力及模拟线路受力的分析，通过有限元计算和疲劳寿命估算发现，上翘力和偏心是造成连接处裂纹产生的主要原因，并且随着上翘角度和偏心距的增大，疲劳寿命急剧降低，这就从理论上解释了连接处裂纹产生的原因，并给出了提高钩尾框疲劳寿命的建议和改进措施。本文依据AAR机务标准中的载荷谱和大秦线2万t重载列车的载荷谱，采用名义应力法、局部应力-应变法和断裂力学法，分别从理论受力和模拟线路受力两方面，对钩尾框的名义应力寿命、裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命进行了估算，并对理论受力下的名义应力寿命与裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命之和以及模拟线路受力下的名义应力寿命与裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命之和分别进行了分析比较，从而验证了所求名义应力寿命的正确性。最后，根据一批包含各种型号钩尾框的疲劳寿命实验数据，利用威布尔分布对其进行了疲劳性能的可靠性分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、意义和现状
• 1.1.1 研究的背景和意义
• 1.1.2 研究的国内外现状及水平
• 1.2 本论文主要研究内容
• 1.3 相关理论研究的发展概况
• 1.3.1 结构疲劳理论的发展概况
• 1.3.2 结构疲劳可靠性理论的发展概况
• 第2章 钩尾框名义应力疲劳寿命估算
• 2.1 名义应力法估算疲劳寿命步骤
• 2.2 有限单元法概述及分析过程
• 2.3 ABAQUS 软件简介
• 2.4 钩尾框 3D 模型的创建及 E 级钢简介
• 2.5 理论受力下钩尾框疲劳寿命估算
• 2.5.1 理论受力分析
• 2.5.2 理论受力下钩尾框有限元计算
• 2.5.3 基于理论受力下的钩尾框室内疲劳寿命估算
• 2.5.4 理论受力下线路疲劳寿命可靠性分析
• 2.6 模拟线路受力下钩尾框疲劳寿命估算
• 2.6.1 模拟线路受力分析
• 2.6.2 模拟线路受力下钩尾框有限元计算
• 2.6.3 模拟线路受力下钩尾框疲劳寿命可靠性分析
• 2.7 改进措施及建议
• 2.7.1 预防钩尾框上翘
• 2.7.2 提高钩尾框抗菱形刚度
• 2.7.3 结论及建议
• 第3章 钩尾框疲劳裂纹萌生寿命估算
• 3.1 疲劳裂纹萌生寿命概述及步骤
• 3.2 钩尾框载荷谱及 Kf的选取
• 3.2.1 钩尾框载荷谱的选取
• 3.2.2 疲劳强度降低系数 Kf的选取
• 3.3 疲劳裂纹萌生寿命参数的确定
• 3.3.1 E 级钢本构参数的确定
• 3.3.2 应变-寿命关系及参数的确定
• 3.4 疲劳累积损伤方法选择
• 3.5 疲劳裂纹萌生寿命估算
• 3.5.1 理论受力下疲劳裂纹萌生寿命估算
• 3.5.2 模拟线路受力下疲劳裂纹萌生寿命估算
• 3.5.3 结论
• 第4章 钩尾框疲劳裂纹扩展寿命估算
• 4.1 疲劳裂纹扩展理论的国内外研究现状
• 4.2 应力强度因子及疲劳裂纹的基本模型
• 4.3 应力强度因子的计算
• 4.3.1 普通单元法
• 4.3.2 特殊单元有限元法
• 4.4 疲劳裂纹扩展寿命估算步骤
• 4.5 疲劳裂纹扩展速率及 E 级钢门槛值
• 4.6 钩尾框初始及临界裂纹尺寸设定
• 4.7 钩尾框疲劳裂纹扩展寿命估算
• 4.7.1 理论受力条件下钩尾框疲劳裂纹扩展寿命估算
• 4.7.2 模拟线路受力条件下钩尾框疲劳裂纹扩展寿命估算
• 4.7.3 结论
• 4.8 两类疲劳寿命的比较
• 4.8.1 理论受力条件下两类疲劳寿命的对比
• 4.8.2 模拟线路受力下两类疲劳寿命的对比
• 第5章 钩尾框疲劳寿命可靠性分析
• 5.1 可靠性概念
• 5.2 常用可靠性特征量
• 5.3 试验方法
• 5.3.1 受力分析及加载方式
• 5.3.2 试验参数确定
• 5.4 试验结果
• 5.5 试验结果分析和疲劳性能对比
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附录A MATLAB 的疲劳寿命点估计程序
• 附录B MATLAB 的疲劳寿命置信限程序