《鐵道車輛工程》教學(xué)課件PPT
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車輛工程第十章第十章 車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度米彩盈米彩盈機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)車車輛工程系機(jī)車車輛工程系第十章第十章 車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度本章的重點(diǎn)1.作用在車輛上的載荷2.車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法3.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則4.多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化單軸應(yīng)力的方法5.修正Goodman曲線繪制方法和應(yīng)用6.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要性車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要性車輛承載結(jié)構(gòu)疲勞失效典型實(shí)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(dòng)車車軸疲勞動(dòng)車車軸疲勞斷裂斷裂1998年6月4日Eschede車輛強(qiáng)度分析的目的和內(nèi)容 車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的目的車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的目的 為了確定車輛承載部件在運(yùn)用荷載作用下具有的承載能力，保證其在使用期間內(nèi)具有安全性、可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)應(yīng)盡可能減小車輛及其部件的結(jié)構(gòu)自重，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體承載能力。車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的內(nèi)容車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的內(nèi)容 1.確定計(jì)算載荷與載荷工況：根據(jù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)鑒定標(biāo)準(zhǔn)確定車輛在運(yùn)行中承載部件所承擔(dān)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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算：在上述計(jì)算載荷作用下，確定相關(guān)承載部件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。3.計(jì)算結(jié)果評(píng)定：強(qiáng)度分析分為靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，根據(jù)計(jì)算應(yīng)力及其應(yīng)力變化規(guī)律分別評(píng)價(jià)；剛度由結(jié)構(gòu)變形和自振頻率評(píng)價(jià)；穩(wěn)定性由屈曲分析進(jìn)行評(píng)價(jià)。車輛強(qiáng)度規(guī)范 強(qiáng)度規(guī)范強(qiáng)度規(guī)范是車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)的法律準(zhǔn)則，如果按車輛的功能分為機(jī)車的、客車的、貨車和特種機(jī)車車輛的四類，如果按線路軌距分為米軌、準(zhǔn)軌和寬軌三類。強(qiáng)度規(guī)范的作用強(qiáng)度規(guī)范的作用是保證機(jī)車車輛的運(yùn)行性能和使用安全。規(guī)范對(duì)機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)必須滿足的載荷和環(huán)境條件以及對(duì)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、維護(hù)和使用的要求做出規(guī)定。機(jī)車車輛強(qiáng)度規(guī)范規(guī)定了對(duì)機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)的實(shí)際要求、載荷和環(huán)境條件以及研制程序。靜強(qiáng)度規(guī)范還對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度特性提出要求。我國在機(jī)車車輛行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是中華人民共和國鐵道部標(biāo)準(zhǔn)（TB/T）。隨著我國引入國外200km/h和300km/h動(dòng)車組技術(shù)，機(jī)車車輛承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析與試驗(yàn)規(guī)范越來越多地采用國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)（UIC）、歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN）、北美洲鐵路聯(lián)盟組織標(biāo)準(zhǔn)（AAR）、國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）、德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN）、德國焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（DVS）和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）等。車輛結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)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(jié)構(gòu)DVS1608鋁合金車輛結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)車輪UIC510-5EN139791車軸UIC515-3EN13103/TB/T2705EN13104/TB/T2395結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定方法 車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定分為靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)定。靜強(qiáng)度評(píng)定方法 車輛結(jié)構(gòu)部件在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷作用下，其靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行的條件為 （1）在正常運(yùn)行載荷作用下，其按第三強(qiáng)度理論確定的最大等效應(yīng)力或者按第四強(qiáng)度理論確定的最大von_Mises應(yīng)力不大于制造材料的許用應(yīng)力，即有：（2）在運(yùn)行中最大載荷（發(fā)生行車事故時(shí)承擔(dān)的載荷）作用下，其按第三強(qiáng)度理論確定的最大等效應(yīng)力或者按第四強(qiáng)度理論確定的最大von_Mises應(yīng)力不大于制造材料的屈服極限，即滿足關(guān)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(biāo)準(zhǔn)中，車體母材區(qū)域的屈服極限為材料標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中，在正常運(yùn)行載荷作用下，焊接結(jié)構(gòu)母材和焊縫區(qū)域的許用應(yīng)力滿足關(guān)系式：母材：=s/1.5 焊縫：=s/1.65疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法單軸和多軸應(yīng)力狀態(tài)的判定方法 確定受力體的應(yīng)力狀態(tài)是單軸還是多軸應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)滿足關(guān)系式 即為單軸應(yīng)力狀態(tài)，否則為多軸應(yīng)力狀態(tài)。式中：1 絕對(duì)值最大的主應(yīng)力；von_Mises 按第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力。多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力的工程方法ERRI B12/RP17疲勞裂紋擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力方向相互垂直將載荷循環(huán)的峰值和谷值點(diǎn)確定為載荷工況 結(jié)構(gòu)在確定的結(jié)構(gòu)在確定的m個(gè)載荷工況的載荷作用下，個(gè)載荷工況的載荷作用下，按照按照FE方法結(jié)構(gòu)每個(gè)區(qū)域在不同載荷工況作用方法結(jié)構(gòu)每個(gè)區(qū)域在不同載荷工況作用下的應(yīng)力分布，找出每個(gè)區(qū)域的最大和最小應(yīng)下的應(yīng)力分布，找出每個(gè)區(qū)域的最大和最小應(yīng)力，確定其應(yīng)力變化規(guī)律，評(píng)定結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)力，確定其應(yīng)力變化規(guī)律，評(píng)定結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。度。（1）確定結(jié)構(gòu)在不同載荷工況作用下的主應(yīng)力值和方向；（2）將所有載荷工況作用下結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力方向確定為基本應(yīng)力分布方向，其值為最大計(jì)算主應(yīng)力，計(jì)算其與結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)線（或計(jì)算模型的整體坐標(biāo)系的坐標(biāo)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(yīng)力投影到基本應(yīng)力分布方向上，其投影值最小的應(yīng)力值確定為最小主應(yīng)力，如下圖b所示；（4）由最大和最小主應(yīng)力值計(jì)算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅或應(yīng)力比；（5）用修正Goodmann疲勞曲線或Moore-Kommer-Japer疲勞曲線評(píng)定結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。圖 主應(yīng)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(yīng)力為橫坐標(biāo)、應(yīng)力幅為縱坐標(biāo)）或Smith圖形式（以平均應(yīng)力為橫坐標(biāo)、最大、最小應(yīng)力為縱坐標(biāo)）。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(duì)于采用塑性材料制造的鐵道車輛承載結(jié)構(gòu)，在單軸或者多軸應(yīng)力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的條件為：|()max或者min|()S 對(duì)于單軸應(yīng)力狀態(tài)，()max或者min 即為按照材料力學(xué)方法得出的計(jì)算應(yīng)力值。對(duì)于多軸應(yīng)力狀態(tài)()max或者min 即為按照材料力學(xué)方法或者有限元方法得出的計(jì)算等效應(yīng)力值。對(duì)于塑性材料，等效應(yīng)力按第三和或第四強(qiáng)度理論計(jì)算；對(duì)于脆性材料等效應(yīng)力按第一和或第二強(qiáng)度理論計(jì)算。金屬材料在對(duì)稱循環(huán)下的疲勞極限取決于材料的強(qiáng)度極限-1b 根據(jù)Goodman的簡化理論，其平均應(yīng)力、應(yīng)力幅、疲勞極限和強(qiáng)度極限滿足關(guān)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(yīng)用 （1）圖示的修正的Goodman疲勞極限圖假設(shè)壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限、屈服極限與拉伸時(shí)相等，這一點(diǎn)對(duì)于多數(shù)材料是合理的，但對(duì)于鑄鐵及一些鑄Al、Mg合金，其壓縮強(qiáng)度極限、屈服極限比拉伸時(shí)高得多，此時(shí)，圖中給出的是偏于安全的應(yīng)力極限；（2）實(shí)際材料壓縮平均應(yīng)力對(duì)疲勞極限的影響與拉伸平均應(yīng)力的影響不同的，一般隨壓縮平均應(yīng)力的增加，極限應(yīng)力幅總是先大幅度增加而后再下降。圖中假設(shè)壓縮平均應(yīng)力對(duì)極限應(yīng)力幅沒有影響，在壓縮屈服前極限應(yīng)力幅與平均應(yīng)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(shè)計(jì)和計(jì)算而言，也是可以接受的；（3）圖中是在單軸應(yīng)力狀態(tài)下得到的，只適應(yīng)于單軸應(yīng)力疲勞問題。對(duì)于多軸應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞問題，不僅要考慮平均應(yīng)力的影響，而且還要考慮多軸應(yīng)力之間的相互作用。因此，需要將靜強(qiáng)度理論與修正的Goodman曲線關(guān)系結(jié)合起來，進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)或強(qiáng)度校核。但是，當(dāng)最大主應(yīng)力的作用占主導(dǎo)地位時(shí)，工程上為了簡化，也可以根據(jù)最大主應(yīng)力值的大小以及沿最大主應(yīng)力方向上的平均應(yīng)力大小，利用修正的Goodman疲勞極限線圖直接進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核。ERRI B12 RP17
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