《鐵道車輛工程》教學課件PPT
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車輛工程第十章第十章 車輛結構強度車輛結構強度米彩盈米彩盈機械工程學院機械工程學院機車車輛工程系機車車輛工程系第十章第十章 車輛結構強度車輛結構強度本章的重點1.作用在車輛上的載荷2.車輛結構強度分析方法3.結構強度評定準則4.多軸應力轉化單軸應力的方法5.修正Goodman曲線繪制方法和應用6.結構強度設計、分析和試驗標準車輛結構強度的重要性車輛結構強度的重要性車輛承載結構疲勞失效典型實例 1998年年6月月10日（日（Eschede），），ICE-1拖車彈拖車彈性車輪輪輞疲勞斷裂性車輪輪輞疲勞斷裂2008年年7月月9日（日（Kln），），ICE-3動車車軸疲勞動車車軸疲勞斷裂斷裂1998年6月4日Eschede車輛強度分析的目的和內容 車輛結構強度分析的目的車輛結構強度分析的目的 為了確定車輛承載部件在運用荷載作用下具有的承載能力，保證其在使用期間內具有安全性、可靠性和穩(wěn)定性。同時應盡可能減小車輛及其部件的結構自重，充分發(fā)揮結構的整體承載能力。車輛結構強度分析的內容車輛結構強度分析的內容 1.確定計算載荷與載荷工況：根據(jù)相關的結構強度設計和試驗鑒定標準確定車輛在運行中承載部件所承擔的各種載荷的大小、作用方式、作用位置以及各種載荷的組合情況等；2.強度、剛度和穩(wěn)定性計算：在上述計算載荷作用下，確定相關承載部件的強度、剛度和穩(wěn)定性。3.計算結果評定：強度分析分為靜強度和疲勞強度分析，根據(jù)計算應力及其應力變化規(guī)律分別評價；剛度由結構變形和自振頻率評價；穩(wěn)定性由屈曲分析進行評價。車輛強度規(guī)范 強度規(guī)范強度規(guī)范是車輛結構設計、強度計算和試驗的法律準則，如果按車輛的功能分為機車的、客車的、貨車和特種機車車輛的四類，如果按線路軌距分為米軌、準軌和寬軌三類。強度規(guī)范的作用強度規(guī)范的作用是保證機車車輛的運行性能和使用安全。規(guī)范對機車車輛結構必須滿足的載荷和環(huán)境條件以及對設計、制造、試驗、維護和使用的要求做出規(guī)定。機車車輛強度規(guī)范規(guī)定了對機車車輛結構的實際要求、載荷和環(huán)境條件以及研制程序。靜強度規(guī)范還對結構的剛度特性提出要求。我國在機車車輛行業(yè)的標準是中華人民共和國鐵道部標準（TB/T）。隨著我國引入國外200km/h和300km/h動車組技術，機車車輛承載結構的設計和強度分析與試驗規(guī)范越來越多地采用國際鐵路聯(lián)盟標準（UIC）、歐洲標準（EN）、北美洲鐵路聯(lián)盟組織標準（AAR）、國際標準（ISO）、德國工業(yè)標準（DIN）、德國焊接協(xié)會標準（DVS）和日本工業(yè)標準（JIS）等。車輛結構主要設計試驗標準構架UIC515-4/TB/T2637UIC615-4/TB/T2368UIC510-3/TB/1335EN13749JIS E4207車體UIC566、UIC577EN12663-1/TB/T2541/TB/T1806EN12663-2 TB/T1335/AAR M1001DVS1612鋼結構DVS1608鋁合金車輛結構主要設計試驗標準車輪UIC510-5EN139791車軸UIC515-3EN13103/TB/T2705EN13104/TB/T2395結構強度評定方法 車輛結構強度評定分為靜強度和疲勞強度評定。靜強度評定方法 車輛結構部件在相關標準規(guī)定的載荷作用下，其靜強度滿足設計和運行的條件為 （1）在正常運行載荷作用下，其按第三強度理論確定的最大等效應力或者按第四強度理論確定的最大von_Mises應力不大于制造材料的許用應力，即有：（2）在運行中最大載荷（發(fā)生行車事故時承擔的載荷）作用下，其按第三強度理論確定的最大等效應力或者按第四強度理論確定的最大von_Mises應力不大于制造材料的屈服極限，即滿足關系式：S 安全系數(shù) s 材料的屈服極限或者比例極限0.2。在EN12663標準中，車體母材區(qū)域的屈服極限為材料標準規(guī)定的最小值、焊縫區(qū)域的屈服極限較母材低10%，安全系數(shù)S=1.15。在ERRI B12/RP17和UIC566、UIC615-4和UIC515-4等標準中，在正常運行載荷作用下，焊接結構母材和焊縫區(qū)域的許用應力滿足關系式：母材：=s/1.5 焊縫：=s/1.65疲勞強度評定方法單軸和多軸應力狀態(tài)的判定方法 確定受力體的應力狀態(tài)是單軸還是多軸應力狀態(tài)，當滿足關系式 即為單軸應力狀態(tài)，否則為多軸應力狀態(tài)。式中：1 絕對值最大的主應力；von_Mises 按第四強度理論的等效應力。多軸應力轉化為單軸應力的工程方法ERRI B12/RP17疲勞裂紋擴展方向與最大主應力方向相互垂直將載荷循環(huán)的峰值和谷值點確定為載荷工況 結構在確定的結構在確定的m個載荷工況的載荷作用下，個載荷工況的載荷作用下，按照按照FE方法結構每個區(qū)域在不同載荷工況作用方法結構每個區(qū)域在不同載荷工況作用下的應力分布，找出每個區(qū)域的最大和最小應下的應力分布，找出每個區(qū)域的最大和最小應力，確定其應力變化規(guī)律，評定結構的疲勞強力，確定其應力變化規(guī)律，評定結構的疲勞強度。度。（1）確定結構在不同載荷工況作用下的主應力值和方向；（2）將所有載荷工況作用下結構的最大主應力方向確定為基本應力分布方向，其值為最大計算主應力，計算其與結構基準線（或計算模型的整體坐標系的坐標軸線）的夾角，如下圖a所示；（3）將在其它載荷工況作用下的主應力投影到基本應力分布方向上，其投影值最小的應力值確定為最小主應力，如下圖b所示；（4）由最大和最小主應力值計算平均應力和應力幅或應力比；（5）用修正Goodmann疲勞曲線或Moore-Kommer-Japer疲勞曲線評定結構的疲勞強度。圖 主應力方向確定及其投影示意圖 修正的Goodman曲線修正的Goodman曲線的形式 修正的Goodman曲線一般劃分為Haigh圖形式（以平均應力為橫坐標、應力幅為縱坐標）或Smith圖形式（以平均應力為橫坐標、最大、最小應力為縱坐標）。例如：下圖分別給出Haigh形式和的Smith形式的修正的Goodman曲線。Haigh形式的形式的Goodman曲線曲線PSmith形式的形式的Goodman曲線曲線 對于采用塑性材料制造的鐵道車輛承載結構，在單軸或者多軸應力狀態(tài)下，結構靜強度滿足設計要求的條件為：|()max或者min|()S 對于單軸應力狀態(tài)，()max或者min 即為按照材料力學方法得出的計算應力值。對于多軸應力狀態(tài)()max或者min 即為按照材料力學方法或者有限元方法得出的計算等效應力值。對于塑性材料，等效應力按第三和或第四強度理論計算；對于脆性材料等效應力按第一和或第二強度理論計算。金屬材料在對稱循環(huán)下的疲勞極限取決于材料的強度極限-1b 根據(jù)Goodman的簡化理論，其平均應力、應力幅、疲勞極限和強度極限滿足關系式：即為通常所說的Goodman方程。Haigh形式的形式的Goodman曲線曲線修正的Goodman曲線的應用 （1）圖示的修正的Goodman疲勞極限圖假設壓縮時的強度極限、屈服極限與拉伸時相等，這一點對于多數(shù)材料是合理的，但對于鑄鐵及一些鑄Al、Mg合金，其壓縮強度極限、屈服極限比拉伸時高得多，此時，圖中給出的是偏于安全的應力極限；（2）實際材料壓縮平均應力對疲勞極限的影響與拉伸平均應力的影響不同的，一般隨壓縮平均應力的增加，極限應力幅總是先大幅度增加而后再下降。圖中假設壓縮平均應力對極限應力幅沒有影響，在壓縮屈服前極限應力幅與平均應力是的一樣。如此得到的疲勞極限線圖是偏于安全的，就工程設計和計算而言，也是可以接受的；（3）圖中是在單軸應力狀態(tài)下得到的，只適應于單軸應力疲勞問題。對于多軸應力狀態(tài)下的疲勞問題，不僅要考慮平均應力的影響，而且還要考慮多軸應力之間的相互作用。因此，需要將靜強度理論與修正的Goodman曲線關系結合起來，進行疲勞設計或強度校核。但是，當最大主應力的作用占主導地位時，工程上為了簡化，也可以根據(jù)最大主應力值的大小以及沿最大主應力方向上的平均應力大小，利用修正的Goodman疲勞極限線圖直接進行強度設計和校核。ERRI B12 RP17
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