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关键词： 油气管道   环焊缝   弯曲载荷   应力计算  

摘要： 滑坡等地质灾害引起的弯曲载荷是导致环焊缝失效的重要因素,管道环焊缝焊接过程中的错边缺陷,容易形成局部应力集中,除设计压力外,环焊缝还能承受的弯曲载荷已成为管道完整性管理中的重点和难点。基于有限元分析数据提出了一种针对弯曲载荷作用下含错边缺陷环焊缝的应力计算方法。首先,给出了管道承受均匀内压和弯曲载荷的近似解析计算公式;然后,针对无错边和含错边缺陷的环焊缝开展有限元计算,采用子模型方法兼顾了大跨度模型的计算效率和环焊缝的计算精度;最后,基于有限元分析数据对经典解析公式进行修正,得到管道环焊缝单点应力的计算公式。经验证,该方法与有限元结果相差1%以内,可适用于弯曲载荷作用下的环焊缝应力计算,是一种可用于工程强度快速评估的精确分析方法。

关键词： 真三轴   动静载荷   采动煤岩   三向应力   冲击地压   监测预警  

摘要： 在矿井深部采掘过程中,受地应力及掘采活动影响,煤岩体受载状态呈现“多维动静载组合”特征,煤岩体通常会先后处于三维、二维和一维的动静载组合力学状态,研究真三轴动静载荷下煤体力学特性更加贴近工程实际,对揭示深部复杂应力状态下的煤体力学特性以及矿井冲击地压等灾害的演化过程具有重要的指导意义。同时,冲击地压作为煤矿开采过程中的典型动力灾害,其孕育发展过程也可视为动静载荷作用下煤岩体失稳破坏过程。应力作为影响冲击地压的关键因素,其变化影响着煤岩结构的稳定以及能量的积聚,监测煤岩体应力变化对于防治冲击地压意义重大。基于此,本文通过开展真三轴动静载荷下煤的力学实验,分析一维和三维动静载荷下煤的力学特性及其差异,研究三向应力变化对冲击地压的作用机制,初步探究基于三向应力演化的冲击地压预警方法,并实测分析工作面采动过程中三向应力演化规律,对预警方法进行现场应用。论文的主要结论如下:（1）一维动静载荷下煤样的动态强度随着冲击速度的增大逐渐增大,煤样的破碎程度随着冲击速度的增大而加剧,冲击速度越大,对煤样造成损伤和变形将越严重;三维动静载荷下煤样的动态强度随着轴压σ1的增加呈先增大后减小的趋势,轴压σ1的持续增大,将使三向静载预应力差值增大,从而加剧煤样内部的损伤,使煤样强度降低。（2）三向静载预应力对煤样具有明显的约束性,能增强煤样抵抗变形破坏的能力。一维动静载荷下煤样的动态强度小于三维动静载荷下的煤样,一维动静载荷下煤样破碎成小块状和颗粒状碎样,并在应力峰后阶段会出现较大变形,而三维动静载荷下煤样破坏程度较轻,仅出现颗粒状和粉末状碎样掉落,呈现轻微宏观破裂,并在应力峰后阶段仅产生较小变形。（3）采动煤岩的三向应力随工作面掘采不断变化,水平应力的提前下降,会导致三向应力的差值不断增大,使采动空间煤岩结构稳定性降低,煤岩体内部弹性能不断积聚。冲击地压的预警防治过程中,需要重点关注垂直应力的大小和水平应力突降,避免垂直应力和水平应力差值过大,引起煤岩体结构失稳或能量突然释放,并且在应力集中区域附近应尽可能避免或减小动载荷作用。（4）对I030901工作面的三向应力进行了监测分析,结果表明:工作面采动超前影响范围约为120m,应力高值区位于工作面前方8.3～47.4m范围内,垂直应力所受采动影响范围最大,走向应力次之,倾向应力所受采动影响范围最小。采动煤岩三向应力变化趋势基本相同,随工作面推近依次经历应力稳定、应力增长、应力高值和应力突降四个阶段,水平应力超前于垂直应力发生应力突降。水平应力小于垂直应力,但水平应力集中系数大于垂直应力集中系数。研究表明,三向应力差值能在一定程度反映出煤岩体的受力状态;以三向应力差值为基础,采用三向应力差值变化率作为冲击地压预警参数,对于冲击地压防治具有一定指导意义。本论文有图45幅,表5个,参考文献85篇。

关键词： 铝合金   电偶腐蚀   海洋环境   应力载荷   有限元模拟  

摘要： 铝合金由于其轻质、高强度、耐腐蚀等性能,被广泛地应用于航空航天、海洋工程等领域。铝合金的腐蚀是一个复杂的过程,在实际使用中因材料强度、成本、耐蚀性等诸多原因,不可避免地与其它材料组合,从而发生电偶腐蚀,影响工程结构的安全。此外,铝合金结构件在使用过程中必然会受到应力载荷的作用,电偶效应和应力载荷是导致铝合金失效的主要原因。海洋环境中,特殊的高温、高盐、高湿等环境因素与电偶效应以及应力载荷的耦合作用,无疑加剧了对铝合金性能的考验。本研究通过体视显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描开尔文探针(SKP)、电化学工作站等设备,从力学、电化学、材料微观分析等多角度深入研究了海洋环境下5083铝合金的电偶腐蚀行为以及海洋环境因素与应力载荷耦合作用对7050铝合金失效行为的影响。结果表明,25℃、35℃、45℃时,5083铝合金/Q235钢电偶对的电流密度分别为19.407?A·cm、36.688?A·cm和57.465?A·cm,温度的上升加快了电偶对的腐蚀速率。电偶对中,5083铝合金因其较负的腐蚀电位,作为阳极,腐蚀速率加快;腐蚀电位较高的Q235钢作为阴极被保护。腐蚀形貌结果表明,电偶腐蚀早期,Q235钢在5083铝合金的保护下腐蚀并不明显。越接近偶接线,5083铝合金腐蚀越严重。Q235钢表面存在5083铝合金的腐蚀产物,腐蚀产物的存在抑制了Q235钢的腐蚀速度。以极化曲线拟合参数为边界条件,采用有限元法对5083铝合金/Q235钢电偶对模型表面的电位分布和电流密度分布进行模拟,模拟结果与实验结果基本一致。采用自制的应力加载装置对7050铝合金实验件施加恒拉伸应力,研究海洋环境因素(温度、盐度、p H)与应力载荷耦合作用对7050铝合金的失效行为影响。结果表明,拉伸应力越大,7050铝合金腐蚀速率越快。恒拉伸应力作用下,溶液中H浓度越高,铝合金腐蚀速率越快;不同盐度的溶液中,7050铝合金的腐蚀速率:2%Na Cl<3.5%Na Cl<6.5%Na Cl<5%Na Cl;不同温度的5%Na Cl溶液中,7050铝合金的腐蚀速率:25℃<45℃<35℃<55℃。表面形貌结果表明,腐蚀初期,由于铝合金表面的第二相与铝基体的电化学性质差异,其交界处会优先发生腐蚀形成腐蚀坑。随着腐蚀时间的延长,在应力和腐蚀环境的共同作用下,点蚀坑逐渐扩大,最后扩展形成裂纹。通过有限元方法,对不同拉伸应力作用对铝合金实验件腐蚀缺陷处的应力应变、阴/阳极表面电位和电流密度进行模拟。模拟结果表明,拉伸应力越大,腐蚀缺陷处底部的应力越大。随着施加应力的增加,腐蚀缺陷处的腐蚀电位逐渐负移,腐蚀电流密度逐渐增加。应力的施加加快了铝合金的溶解,从而加快了腐蚀速率。

关键词： 状态监测   波浪载荷反演   智能化船舶   数字孪生  

摘要： 状态监测技术是智能船舶的关键技术之一,其目的是通过安装在船舶结构上的传感器获取船舶结构响应等数据对结构安全状态进行评估。然而受技术和成本的限制,监测监测点数量需要控制在一定范围,难以直接给出全船各部位细节结构的响应数据,不能对船体结构进行全面细致的状态评估。基于监测数据反演出作用于船舶的波浪载荷以及相应的波浪信息,生成加载于船舶数字孪生模型的波浪压力场,进而获得全船结构的响应,进而可对船体强度进行全面的评估。针对此目标,本文对基于监测数据的波浪载荷反演方法进行以下研究:(1)基于船舶结构监测系统的应力监测数据,根据纵向应变与垂向弯矩、水平弯矩和扭矩的关系,考虑船舶的约束扭转,对船舶剖面载荷进行弯扭分解。在此基础上,提出了基于监测数据弯扭分解载荷反演算法。基于一艘超大型集装箱船的船舯舱段模型,对双剖面弯扭分解载荷反演算法进行有限元验证。(2)通过优化布置研究,在船体结构适当部位布置应力传感器,得到能反映船体结构基本状态的应力时历数据。在所布置的应力监测点中,选择适当数量的总体应力和局部结构应力测点,基于波浪载荷作用下全船结构有限元模型频率响应特性,建立由应力数据反演入射波浪与波浪压力载荷的计算模型。依据有限监测点的结构应力响应反演船舶波浪信息以及波浪载荷,利用反演信息对船舶孪生模型进行数字驱动。(3)基于数字样机理论应用结构有限元技术建立全船的结构模型,基于反演得到的入射波浪与波浪压力模型,在虚拟环境中施加典型载荷工况进行虚拟测试,结合各规则子波条件下由全船结构有限元模型得到的应力响应特性,计算得到关注部位的结构应力响应时历,在工程精度要求下进行该波浪载荷反演方法推演波浪信息以及船舶波浪载荷的可行性验证。

关键词： 煤   相似材料   落锤冲击   本构关系   数值模拟  

摘要： 我国煤层气资源丰富,但随开采深度的增加煤储层渗透率会急剧下降,容易导致煤层瓦斯灾害。冲击增透是当前大型煤矿瓦斯治理现代化的重要手段之一,通过冲击可对地下煤储层进行增透改造。为了深刻理解冲击荷载作用下煤承载性能变化规律,需要开展冲击载荷下煤的本构关系研究。 由于煤取样困难,且不同矿区的煤力学特性也存在较大差异,同时试验需要大批量、力学性质可控的试件,因此,本文以相似材料代替煤样开展冲击试验。论文以建立煤相似材料在冲击下的应力-应变本构关系为研究目标,首先根据煤的力学参数和损伤演化特性制作煤的相似材料。为了使相似材料更具普遍性,试验中共制作了四种不同力学参数的材料。然后对相似材料进行落锤冲击试验,通过应力-应变试验数据构建了煤相似材料在冲击下的本构模型,最后将构建的本构模型应用于落锤冲击数值模拟程序中,揭示煤相似材料在受到冲击后的损伤演化规律,并对本构模型进行验证。主要研究成果如下: (1)通过破坏形态观察可知,在落锤冲击下,煤相似材料产生的裂缝多沿轴向方向延伸,破坏区首先从冲击面开始逐步向下扩展,且破坏时首先在试件的边缘发生。通过试验应力-应变曲线可知,同一种材料随冲击速度的增加,其破坏形式可能出现从脆性、韧性、塑性流动、缓慢塑性硬化和加速塑性硬化的依次转变。 (2)同一冲击速度下,随着试件含砂量(最低、中等、较高、最高)的增加,试件的峰值应力在逐渐减小,且高含砂量的试件由于粘结剂含量低,多表现为脆性断裂。 (3)通过分析冲击损伤机理和阶段性演化规律,利用两段连续光滑曲线拟合试验应力-应变曲线,从而获取损伤演化的基本模式。然后在模式控制参数中引入冲击速度的影响,从而构建冲击载荷下应力-应变本构关系模型,该模型可以适应从低速到高速冲击的应力-应变演化模式。 (4)通过将构建的冲击应力-应变本构关系模型运用在数值模拟平台中,得到了在落锤冲击下煤相似材料的损伤演化过程。模拟发现,在落锤冲击作用下,首先在试件上端产生损伤,且试件含砂量越高,随着冲击速度的增加试件产生的损伤越呈明显的增长趋势。数值计算显示试件破坏现象与试验过程相符,证明了构建的动态本构关系的可行性。

关键词： 油管柱   连接螺纹   轴向振动   横向振动   连接螺纹应力   有限元分析  

摘要： 油管柱在工作期间的振动行为会导致油管疲劳破坏,该振动问题是其失效的重要原因之一;螺纹接头作为油管的连接部件,也同油管柱一起在井下长期承受拉伸、压缩、弯曲、内压、外压、振动等复杂载荷的考验。本文研究了定向井油管柱在外界载荷作用下的轴向振动与轴向载荷,并通过轴向振动建立了坐标系,研究了油管柱的横向振动和弯矩与剪切力,最后以此为基础,通过有限元分析,分析连接螺纹的连接强度。考虑油管柱内液体压力变化、柱塞端集中载荷、油管柱内液体的摩擦阻力与杆管之间的库仑摩擦力,基于抽油杆柱的纵向振动的波动方程,建立了抽油杆柱轴向载荷的仿真模型。以抽油杆柱轴向载荷为基础,建立了杆管接触压力的计算模型,为油管柱轴向振动与横向振动仿真提供了环境载荷。考虑油管柱受到的流体阻尼力与杆管之间的库仑摩擦力,将油管柱底端所受的集中液体载荷作为油管柱轴向振动的激励,建立了油管柱轴向振动仿真模型,实现了油管柱轴向载荷的仿真计算。考虑油管柱所受的交变接触压力与交变轴向载荷对油管柱横向振动的激励,并考虑套管对油管的碰撞约束及激励,建立了油管柱横向振动的仿真模型,实现了油管柱所受弯矩与剪切力的计算。综合考虑油管柱所受轴向载荷、弯矩、剪切力、内外压以及螺纹预紧力矩的影响,建立油管连接螺纹应力的有限元分析模型。分析结果表明,轴向载荷与内压是影响连接螺纹应力的主要因素,内压增大了螺纹的连接应力。

关键词： 结构力学状态监测   横梁   FBG传感器   动应力监测   载荷识别  

摘要： 以横梁为代表的高速列车关键结构发挥着承载乘客/货物、传递动力和保障乘客安全等重要作用。在服役过程中,关键结构不仅承担车辆自重,还会受到列车运行所带来的多种交变载荷作用,容易产生应力集中、过载和疲劳等,进而造成结构损伤,损伤的积累可能导致结构失效,对高速列车的长期安全运行提出了巨大的挑战。动应力和载荷监测是评估结构强度与预测疲劳寿命的基础,对于推动列车关键结构视情维修和保障运行安全具有重要意义。为此,以高速列车横梁结构为例,开展了高速列车关键结构的动应力监测与载荷识别技术研究,主要研究内容包括:(1)高速列车横梁结构的载荷识别理论研究。首先,针对高速列车横梁结构,分析了其在服役状况下的受载情况;进而依据结构动力学与模态理论,将线弹性多自由度系统的运动方程进行了解耦,研究了结构受载时载荷与应变响应之间的映射关系,提出了基于载荷-应变线性叠加的载荷识别方法;最后,基于推导的载荷与应变响应之间的映射关系,分析总结了载荷识别研究中所存在的不适定性问题,讨论了基于数学模型与神经网络的不适定性解决方案。(2)高速列车横梁结构的动应力监测系统构建。首先,以高速列车横梁结构为研究对象,采用SolidWorks与Abaqus软件建立了横梁的三维结构模型,利用HyperMesh对横梁结构进行了精细网格划分;然后,结合横梁结构的实际受力情况,对其进行了力学仿真研究,将横梁的受载区域离散化,分析了横梁在不同载荷作用下的应变分布规律,进而优化了传感器布局;最后,依据横梁的结构及服役情况,基于光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器设计了光纤光栅动应力监测系统,实现了横梁结构动应力/应变信号的采集、显示及存储。(3)基于载荷-应变线性叠加的横梁结构载荷识别方法研究。首先,研究了基于载荷-应变线性叠加的横梁结构载荷识别方法,明确了载荷-应变矩阵获取方法与载荷识别流程;然后,利用横梁结构的有限元模型,开展了不同幅值下的双载荷与多载荷工况的力学仿真研究,结果表明,基于载荷-应变线性叠加的横梁结构载荷识别方法具有较高的精度;最后,利用光纤光栅动应力监测系统,搭建了实验平台,设计了加载条件与实验流程,结果表明,基于载荷-应变线性叠加的载荷识别方法能够较好地识别横梁结构上的载荷。(4)基于神经网络的横梁结构载荷识别方法研究。首先,基于载荷-应变线性叠加的载荷识别方法,研究了改进的极限学习机(Improved Extreme Learning Machine,IELM)框架下的横梁结构载荷与应变响应之间的映射关系,提出了基于IELM的载荷识别方法;进一步,结合有限元仿真技术,获得了横梁在所有载荷位置下的载荷、应变响应数据,并在不同的噪声水平下,分析比较了所提方法与传统方法的载荷识别效果,结果表明,基于IELM的载荷识别方法具有更高的精度和更强的抗噪性;最后,搭建了实验平台并设计了实验流程,结果表明,基于IELM的载荷识别方法能够较好地识别横梁的任意位置的载荷。本文面向高速列车关键结构的力学状态监测需求,设计了基于光纤光栅传感的动应力监测系统,提出了基于载荷-应变线性叠加与神经网络的载荷识别方法,仿真和实验结果均表明该方法具有良好的载荷识别精度与抗噪性,成功实现了高速列车关键结构的动应力感知与载荷识别,对支撑高速列车的智能化运维具有重要的工程应用价值。

关键词： 全瓷冠   单层   牙体预备   前牙   颜色   有限元   应力   断裂  

摘要： 1、研究背景全冠是牙体缺损的主要修复方式,全瓷冠因出色的美学和生物相容性能等优点现已逐渐成为前牙中重度牙体缺损的首选修复方式。牙体预备是全冠修复时的首要步骤和关键环节,通过打磨牙齿轴面约1/3的牙体组织,去除牙体组织倒凹、为修复体提供必要的修复间隙。但是,不当或不正确的牙体预备会影响基牙的健康,降低基牙的抗折性能,直接影响全冠修复体和患牙的使用寿命。前牙全瓷冠的牙体预备量受到美学和力学两方面因素的影响。但是关于全瓷冠美学和力学性能的研究,多集中在不同冠厚度或冠结构的影响上,关于不同瓷材料或瓷结构全瓷冠牙体预备的报道几乎空白。并且,随着瓷材料和加工工艺的不断进展,单层瓷全冠尤其是数字化设计和制作的单层瓷全冠的应用越来越广泛。尽管很多瓷材料生产商或技工加工中心宣传单层瓷全冠可以用更少的牙体预备量和更薄的修复体厚度获得理想的修复效果,但是目前对于前牙单层瓷全冠的临床牙体预备方式尚缺乏科学和规范的指导,有待实验研究的探讨和验证。2、研究目的本研究构建基于不同“牙体预备量+冠厚度+瓷材料”的前牙单层瓷全冠修复体模型,研究该全冠修复体的颜色性能和实验力学性能及其相关影响因素,为临床前牙单层瓷全冠修复的选择、设计及临床基牙预备提供理论指导,对推进前牙新型单层全瓷冠修复的规范化、普及化,以及提高前牙瓷全冠修复远期成功率具有重要意义。3、主要研究方法3.1借助IPS Nature Die基牙比色系统构建前牙单层瓷全冠的比色研究模型,模型包括不同变色程度(ND2、ND5、ND8)和不同牙体预备量的树脂基牙预备体、与之对应的不同厚度和瓷材料的前牙单层瓷全冠、以及不同颜色的树脂水门汀粘接层。通过全数字化的流程设计制作全瓷冠,制备硅橡胶测色导板,在D60标准光源环境下使用分光光度计比色仪测量各实验组全瓷冠修复体不同部位的颜色并记录L值、a值、b值,计算色差值△E,探讨牙体预备量、基牙颜色、瓷材料和树脂水门汀颜色对前牙单层瓷全冠修复体颜色的影响。3.2借助CBCT扫描,将扫描后上中切牙组织数据导入逆向工程软件(Mimics、Geomagic、Hypermesh)建立包含单层瓷全冠、粘接层、基牙预备体和牙周膜等元素的三维有限元模型,检测模型精确性备用。然后利用三维有限元分析软件(Abaqus)对各部分模型进行赋值、设计接触,最后模拟前牙咬合进行静态加载和设置边界限定,分析不同牙体预备量和瓷材料对前牙单层瓷全冠修复体的应力分布的影响。3.3借助三点弯曲实验测试两种实验基牙树脂的弹性模量和机械性能对其进行力学性能筛选。借助数字化工具设计制作G10树脂中切牙基牙预备体代型。模拟临床粘接流程将单层瓷全冠粘接在基牙代型上,在万能力学实验仪上模拟临床前牙咬合方式,测定不同实验组的全瓷冠和基牙预备体的断裂载荷,借助扫描电子显微镜观察试件断面分析断裂模式,探讨不同牙体预备量和瓷材料对前牙单层瓷全冠修复体的断裂载荷的影响。4、结果与讨论4.1对于玻璃陶瓷冠和高透氧化锆两种材料的单层瓷全冠,双因素方差分析显示牙体预备量、基牙颜色以及两因素间的交互作用对修复体的颜色存在显著影响(p<0.01)。当基牙颜色相同时,单层瓷全冠修复体的色差值随着牙体预备量的增大而减少,可能是因为全瓷冠的厚度随着牙体预备量增大而增大,提升了其遮色性能;当牙体预备量相同时,基牙变色程度越大,单层瓷全冠修复体色差值越大:ND8>ND5>ND2(p<0.05),说明同等厚度的全瓷冠,基牙变色度越高对修复体颜色的影响越大。对于轻、中度变色ND2、ND5的基牙,单层玻璃陶瓷全冠切、中1/3,颈1/3预备厚度达到1.0mm时(预备二、预备三),色差值<3.46,可达到较满意的美学修复效果;单层高透氧化锆全冠切、中、颈预备厚度达到0.5mm(预备一)时,色差值<3.46,可达到较满意的美学修复效果。对于重度变色ND8的基牙,单层玻璃陶瓷全冠各预备组色差值均>3.46,超过肉眼可识别范围;单层高透氧化锆全冠预备厚度切1/3和体1/3-1.0mm(预备三)时,色差值<3.46,可获得临床可接受的美学修复效果,但是4个实验组颈1/3预备厚度最高1.0mm,色差值均>3.46,难以有效遮盖基牙颜色。因此,临床前牙美学区选择单层瓷全冠修复时,应针对不同的基牙颜色以及瓷材料种类,合理选择冠厚度并设计相应的牙体预备量,不能一概而论。4.2瓷材料种类、牙体预备量和树脂水门汀颜色,以及两因素、三因素间的交互作用对前牙单层瓷全冠修复体的色差值存在显著影响(p<0.05)。瓷材料种类和牙体预备量相同时,单层瓷全冠修复体的色差值随着水门汀遮色能力的增强而减小:WO

关键词： 应力松弛   螺旋压缩弹簧   位错运动   贮存寿命   对数方程  

摘要： 弹簧是通用的机械基本元件,在现代兵器装备和航空航天等工业领域具有广泛的应用,发挥着重要功能。应力松弛是弹簧在长期工作过程中的主要失效方式之一,具有渐进性和隐蔽性,容易被忽视,通常会造成重大损失。应力松弛模型作为研究弹簧应力松弛行为的重要方法和工具,可以较为准确的反映弹簧应力松弛过程。但在已有的松弛模型中,大多通过数据拟合而来,缺乏明确的物理意义,导致应用受限。本文以60Si2Mn螺旋压缩弹簧为例,在自然环境试验的基础上设计了温度-载荷交叉耦合高温加速试验,分别从温度、初始载荷两方面考察了对弹簧应力松弛行为的影响。利用弹簧应力松弛测试装置对应力松弛数据进行了测试和采集,借助金相显微镜和透射电子显微分析技术研究了应力松弛过程的微观组织变化,并探讨了弹簧应力松弛机理,建立了弹簧性能与材料成分和微观组织之间的松弛模型,并在此基础上对弹簧的贮存寿命及载荷损失进行了预测,对强压处理工艺进行了评定。试验结果表明,对于由位错运动引起的应力松弛而言,在快速应力松弛阶段,材料内部形成了抵抗松弛的位错组态微结构。在缓慢应力松弛阶段,根据材料的组织特征,引入了可激活位错与不可激活位错的概念,材料内部的可激活位错在热激活的作用下运动,引起进一步的应力松弛。当可激活位错的数量充足时,温度是应力松弛的控制过程;当可激活位错的数量不足时,不可激活位错向可激活位错的转化是控制过程。据此阐明了应力松弛机制,导出了应力松弛的对数方程,明确了该方程的物理含义,获得了应力松弛规律与材料微观组织之间的定量联系。求得了在置信度为0.95时,弹簧的对数寿命为(12.4,+∞),预测了弹簧在不同贮存环境中的载荷损失率,且预测误差均在±6%以内。

关键词： 转向架构架   载荷特征   动应力   载荷谱   损伤一致性   威布尔分布  

摘要： 随着“CR450科技创新工程”的全面展开,转向架构架作为高速列车走行部不可或缺的部件,其结构可靠性面临着更大的挑战。本文以中国标准动车组为研究对象,基于长期线路跟踪试验数据,对转向架构架载荷及动应力特征展开研究,分析典型工况下构架各载荷系和区域动应力随速度的变化规律。主要研究内容与成果如下: (1)基于空间载荷平衡原则对构架基本载荷力系进行划分,通过对高精度测力构架进行标定试验获得构架载荷-应变传递系数和载荷-应力传递系数,介绍了线路实测数据处理方法。 (2)结合GPS、陀螺仪信号和轮轨、电机激励以及构架模态仿真分析结果,分析典型工况下构架各载荷系及典型区域动应力测点的时域、频域特征,研究发现轴箱垂向载荷中存在其他载荷的耦合作用,需对其修正获得与构架标定试验统一的构架浮沉、侧滚和扭转载荷系。将载荷/应力-时间历程数据转换为等效恒幅值对比分析不同运营状态下载荷/应力特征。 (3)利用载荷-应力传递系数对载荷与构架各区域动应力之间的动态传递关系展开研究。选取横侧梁连接处的动应力测点为研究对象,分析发现由浮沉载荷和齿轮箱垂向同向载荷引起的振动由于构架阻尼作用和构架上弹性以及减振元件的缘故,部分频率在传递到该处的过程中存在着一定程度的衰减。 (4)根据损伤一致性原则对速度级350km/h构架全程载荷谱进行损伤一致性校准,确保校准后的构架分立载荷谱能以较高精度覆盖实测损伤,以该速度级下浮沉载荷系为例,采用扩展因子法对其全寿命周期载荷谱进行扩展。 (5)对不同速度级和运行工况下的构架分立载荷谱进行编制,分析各载荷谱幅值和作用频次与速度之间的关系,通过三参数威布尔分布函数对载荷谱进行分布拟合,总结匀速直、曲线以及加、减速工况下载荷谱分布拟合参数、载荷最大值和累积作用频次随速度的变化规律,并利用一元二次多项方程对它们间的函数关系进行拟合求解,进而计算出推导速度级450km/h载荷谱所需要的参数,反解建立不同工况下速度级为450km/h时的构架分立载荷谱。 图74幅,表22个,参考文献81篇。