机车车辆零部件的疲劳损伤是涉及结构、材料、强度、动力学、制造装配工艺、质量保证体系以及机车车辆运用条件等诸多因素的复杂问题。本文分别在频域、时域和可靠性领域构建了机车车辆零部件疲劳寿命预测的一整套方法,并以构架为例做了具体的应用。
机车车辆在运行中主要受到来自轨道不平顺的激励,它是进行动力学仿真及其它后续工作的输入条件。在频域分析时需要轨道谱密度函数,在时域分析时需要轨道的随机不平顺历程。然而通常只知道轨道的谱密度函数,轨道的随机不平顺历程只有通过实测获得,这给仿真分析带来不便。本文利用傅立叶变换进行时域信号的谱密度估计,利用傅立叶逆变换从谱密度函数得出轨道随机不平顺,并对随机不平顺进行三次样条插值,其结果与实测值相当,符合时域分析的需要,为频域和时域分析提供激励。
在频域中预测疲劳寿命的关键是建立应力范围的概率密度函数,Bendat, Wirsching, Dirlik等学者根据随机应力-时间历程的谱带宽提出了不同的模型,本文在Dirlik模型的基础上,根据S-N曲线只适用于高周疲劳的特性,对模型进行了修正,提出基于分段S-N曲线的频域疲劳损伤公式。为得到应力范围概率密度函数的基本参数,本文建立了机车的频域动力学模型,从轨道的谱密度函数开始,获得构架应力响应的功率谱密度,利用图示与统计的方法得到应力幅值概率密度函数的参数,再利用已有的应力幅值概率密度函数,推导出应力范围概率密度函数。
在时域的疲劳寿命预测中,为得到准确的载荷-时间历程,在机车的动力学模型中考虑构架的柔性变形,建立机车的刚-柔耦合多体动力学模型,利用准静态叠加法则,获得时域内构架危险部位的应力-时间历程,在对其进行雨流计数后,进行拉伸和压缩平均应力修正,运用Miner疲劳损伤累积法则获得疲劳寿命。另外考虑到机车运行中的多种工况,建立了多事件的疲劳损伤累积公式。
在疲劳寿命的可靠性预测方面,本文利用应力-强度干涉模型,建立了结构无限疲劳寿命的可靠度模型;利用频域中建立的应力范围概率密度函数,
