钢轨螺栓结构优化设计及疲劳特性研究

论文题目: 钢轨螺栓结构优化设计及疲劳特性研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 白卫卫

导师: 苗德华

关键词: 螺栓,应力集中,有限元,疲劳破坏,参数化设计语言

文献来源: 天津科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 为适应经济社会发展的需要,近几年,铁路运输以提高速度、增加密度、扩大重载为重点,大力挖潜提效,实现了一系列新突破。但是,铁路运输交通事故因螺栓疲劳破坏仍有发生。因此,研究钢轨螺栓疲劳破坏具有较大的现实意义。 普通三角形螺纹根部应力集中较大,严重影响了螺栓的疲劳寿命。因此,减少螺纹根部应力集中、改善应力分布是提高螺栓疲劳寿命的主要途径。 本论文针对钢轨螺栓的疲劳破坏,着重从以下几个方面进行了研究: 1.应用疲劳理论以及有限元法对钢轨螺栓的疲劳破坏进行了理论分析,从而得出普通钢轨螺栓疲劳破坏的主要原因是螺栓螺纹根部应力集中较为严重,各螺纹根部应力分布不均匀。 2.针对钢轨螺栓的疲劳破坏的原因,对普通三角形钢轨螺栓进行结构上改进,提出增加螺纹根部圆角半径,改变螺纹高度,改变螺母外形结构等方法。 3.应用通用CAE分析软件ANSYS对改进后的新型钢轨螺栓、螺母进行结构应力分析,结果表明新型结构应力分布较为合理、最大轴向应力明显降低。 4.应用长春试验机研究所研制的200KN电液伺服试验机对钢轨螺栓进行疲劳试验,试验表明新型螺栓具有较高的疲劳寿命。 5.为提高工程技术人员对螺栓强度、疲劳寿命分析的效率,减轻工作强度,开发了基予APDL的螺栓有限元分析程序。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 提高螺栓疲劳寿命方法概述

1.1.1 弹性元件提高螺栓疲劳强度

1.1.2 载荷条件的影响

1.1.3 减小附加应力

1.1.4 减小应力集中

1.1.5 疲劳尺寸系数

1.1.6 选用优质的螺栓钢

1.1.7 热处理

1.1.8 改善制造工艺

1.2 本课题研究的主要内容

第二章 钢轨螺栓疲劳研究

2.1 疲劳学基本理论

2.1.1 疲劳破坏的特殊性

2.1.2 材料疲劳性能指标

2.1.3 材料的应力循环统计方法

2.1.4 疲劳性能测试方法

2.1.5 疲劳寿命估算

2.2 疲劳学理论研究前沿

2.2.1 随机疲劳理论

2.2.2 混沌疲劳理论

2.2.3 复合材料疲劳寿命计算

2.2.4 基于应变的疲劳可靠性分析

2.3 钢轨螺栓疲劳分析

2.3.1 螺栓联接中的载荷分析

2.3.2 螺栓的局部应力分析

2.3.3 螺栓应变疲劳可靠性寿命的确定

第三章 钢轨螺栓的有限元分析

3.1 有限元法在钢轨螺栓研究中的应用

3.1.1 有限元基本理论

3.1.2 ANSYS软件中的状态非线性

3.1.3 状态非线性中的接触分析

3.1.4 执行面-面接触分析的几个要点

3.2 钢轨螺栓接触分析

3.2.1 建立普通螺栓接触分析有限元模型

3.2.2 边界约束及载荷施加

3.2.3 理论计算结果

3.2.4 计算结果分析

3.3 抗疲劳螺栓结构探讨

3.3.1 增强螺纹研究

3.3.2 等负荷螺栓

3.3.3 近似等应力螺纹

3.3.4 锥型螺栓

3.4 螺母结构设计

3.5 三次曲线螺母数学模型

3.6 本章小结

第四章 钢轨螺栓的疲劳试验

4.1 试验机工作原理

4.2 试验机组成

4.3 试验机主要技术指标

4.4 计算操作

4.5 试验夹具设计

4.6 试验方案设计

4.6.1 普通螺栓疲劳试验

4.6.2 锥形螺栓疲劳试验

第五章 基于 APDL的螺栓专用程序二次开发

5.1 ANSYS的二次开发功能

5.1.1 参数化程序设计语言(APDL)

5.1.2 用户界面设计语言(UIDL)

5.1.3 用户程序特性(UPFs)

5.1.4 ANSYS数据接口

5.2 ANSYS二次开发步骤

5.3 基于APDL的螺栓分析专用程序二次开发

5.3.1 程序设计思路解析

5.3.2 专用分析程序功能介绍

5.3.3 基于 APDL专用程序部分设计代码

5.3.4 程序运行实例

5.4 基于 APDL的钢轨螺栓优化设计

5.4.1 APDL有限元优化设计基本概念

5.4.2 基于 APDL的螺栓优化设计

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

发布时间: 2007-01-10

参考文献

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