铁路车辆车体轻量化与可靠性技术介绍

（4）UIC或EN标准的ORE或ERRI B12 RP17/ 1997《货车标准化》将焊接结构分为母材无缺 口效应区域，相当于疲劳试验结果50％存活率； 对接焊缝或低缺口效应区域，相当于疲劳试验 结果75％存活率；其它类型焊缝或高缺口效应 区域 ，相当于疲劳试验结果95％存活率。母材 区域的安全系数S=1.5，焊缝区域的安全系数 S=1.65。 （5）德国联邦铁路标注DV952/1977《金属材 料焊接规定》将焊接结构的强度等级分为8级 40种接头，给出2中钢材和6种铝材在不同循环 特性下的疲劳许用应力。
在等幅对称应力循环作用下，构件或结构的S－N 曲线方程为
N N 0
m
m 1
结构细节（特别是焊接结构）
（1）美国AAR货车结构疲劳设计标准给出了80 种钢结构焊接接头的疲劳寿命预测数据。 （2）英国BS7608钢结构疲劳设计与评估标准中， 将焊接母材及接头分成10级，并给出了这10级 焊接接头细节的S-N曲线参数。事实上这10级 接头包括了50多种具体接头形状，其中还包括 了螺栓连接接头。 （3） 国际焊接学会标准（IIW）XIII-153996XV-845-96《焊接接头与部件的疲劳设计》 给出了80种钢结构焊接接头的数据和57种铝合 金焊接接头的S-N曲线数据。IIW疲劳强度设计 规范适用于焊点的屈服极限低于700MPa的碳 钢、碳锰钢和细晶粒钢调质钢材的焊接接头。
（6）DIN15018《起重机钢结构计算方法》将 焊接结构根据应力集中情况分为8种；载荷循 环次数分为4个等级，每级载荷循环等级下的 应力水平分为4级。
方法1——DIN15018法
max [ ]1
x [ ] x
2
式中 x——在三维应力空间x —x —中，沿x方向的正应力；
何谓可靠性？
承载结构在规定的使用期限内，结构不发 生疲劳失效。
车体承担的主要载荷
静载荷和动载荷 EN12663-1/2010、 EN12663-2/2010 TB/T2541-2010《机车车体静强度试验规范 》 TB/T1806-2006 《客车车体静强度试验方法 》 纵向载荷——牵引、制动载荷 垂向载荷——结构自重、载重 横向载荷——结构自重、载重、横向振动
载荷循环次数≯5×106次结构的对数S-N曲线斜 率m=3（m——等幅载荷下，Wöhler疲劳曲线指数或 对数坐标下S－N曲线的斜率）；载荷循环次数＞ 5×106次≯1×108次结构的对数S-N曲线斜率m=5； 载荷循环次数＞1×108次时，其不对结构的疲劳造成 损伤。
线性疲劳累积损伤理论的表达方法
S—N曲线的左段，常用下面的表达式：
N C
m
式中的m和C为材料常数。 将上式两边取对数得：
m lg lg N lg C
S-N曲线的左段在双对数坐标上是直线， 1/m为S-N曲线的负斜率。
Palmgren－Miner线性疲劳累积损伤准则
Palmgren－Miner线性累积损伤准则的假设条件 为 （1）在各级应力水平下，对结构造成的损伤随循 环次数的增加而线性增加； （2）各级应力循环的疲劳损伤量相互独立，当总 的应力疲劳损伤累积达到结构的疲劳累积损伤强度时， 结构产生疲劳破坏失效，即有关系式
（5）根据该点所在焊接接头类型细节及承载方
向，在IIW中选择对应的用于建立S-N曲线的疲 劳级别（FAT）及相关参数; （6）根据损伤比计算公式，计算损伤比累计； （7）根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数， 由Minner线性疲劳累计损伤准则求出寿命 （里程）；
应力计算方法
为了计算在随机载荷联合作用下车体的应力分布， 采用线性叠加原理确定车体的随机应力分布，其计算 方法为： 12 x F i xi （1）取各项随机载荷的单位载荷，分别计算 i 1 12 车体在各项单位载荷作用下车体的应力分布； F i yi y i 1 （2）根据线性叠加原理计算车体在各项随机 12 F i zi 载荷联合作用下的随机应力历程，在各项随 z i 1 12 机载荷联合作用下，车体任意点的合成方向 xy F i xyi i 1 应力值满足以下关系式
名义应力(Nomimal stress)是指用简单公式进 行计算得出受载截面的应力（轴向力除以截面 面积、弯矩或扭矩除以相关截面模量）。
缺口应力(Notch stress)
结构应力（Structural stress）是指根据外载荷 用简单（线弹性）力学公式以及类似的近似公 式或有限元(划分有限元网格时只模拟结构整体 尺寸，不反映局部细微尺寸变化，即不划分局 部缺口或裂纹的有限元网格)计算求得的结构中 的工作应力，但不包括裂纹、缺口等引起的强 烈局部应力集中，相当于我国“结构中危险截 面上的应力”这一概念。结构应力一词已为国 外学者普遍采用。引入结构应力概念一方面为 结构应力评定方法（解决了名义应力不反映结 构中细部几何形状变化引起的应力不均匀分布 这一问题）奠定了基础，另一方面也为建立结 构应力、缺口应力和应力强度因子间的定量关 系提供了基础（即以结构应力作为参考应力）。
D ni / N i 1
i 1
l
式中
l——载荷谱级数; ni——第级应力的实际循环次数; Ni——第级应力循环下的失效循环次数。 在工程结构疲劳强度或寿命预测中，对于低于 5×106次恒幅疲劳极限的应力等级可以考虑用原S－N 曲线的斜直线段延长线与水平段成一定夹角的直线代 替S－N曲线的水平段，考虑较小应力对结构产生的损 伤，如图下图所示。现采用国际焊接协会IIW联合工作 组XIII-XV推荐标准XIII-1539-96/XV-845-96《焊接接 头与部件的疲劳设计》给出的方法进行分析。
[]x——动态正应力作用y下的许用应力；
[]——动态剪应力作用下的许用应力； []-1——构件或结构在对称循环下的许用应力。
在上式中，对于单轴应力状态，即只有一 个应力分量或或时，最大应力满足关系式
max =x(y或) 根据von Mises变形能准则，无缺口母材的 许用剪应力由无缺口母材的许用拉应力[]m确 定，满足关系式 [ ]m [ ]m 3 焊接接头的许用剪应力经过修正由焊接接 头的许用拉应力[]w确定，满足关系式 [ ]w [ ]w
i i
分析方法
（1）指定具体评定点的位置； （2）如果有动应力实测数据，通过编谱而获得该点 的应力幅值谱，转到第（5）步； （3）如果没有动应力实测数据，有载荷谱，那么创 建有限元模型； （4）根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅值 谱； （5）根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向， 在BS标准中选择对应的用于建立S-N曲线的疲劳级 别（FAT）及相关参数; （6）根据损伤比计算公式，计算损伤比累计； （7）根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数，由 Minner线性疲劳累计损伤准则求出寿命（里程）；
y x y [ ] [ ] [ ] [ ] y x y
2
2
y——在三维应力空间x —x —中，沿y方向的正应力；
——在三维应力空间x —x —中的剪应力， []x——动态正应力作用x下的许用应力；
车辆车体轻量化技术 与客车车体技术
西南交通大学 机械工程学院机车车辆工程系 2011年12月
结构设计要求与原理
要求
功能性 观赏性 安全可靠性
设计、 分析与 制造
பைடு நூலகம்原理
在兼顾观赏性、满足功能和安全可靠性 的基础上降低制造成本用力学理论解 释设计结构的可行性
基本概念
何谓轻量化？
在承载结构质量有限的条件下，实现结构 承载最大化，满足结构安全可靠性。
可靠性方法1——周期载荷
max min m 2 max min a 2 R min max
Q345钢修正的Goodman疲劳曲线
Q345钢的Moore-Kommers-Japer疲劳曲线
可靠性方法2——谱载荷或随机载荷
方法3——IIW XIII-1539-96/XV-845-96标准的 疲劳寿命预测方法
寿命计算公式
C N m
分析方法 （1）指定具体待评点的位置； （2）如果有动应力实测数据，通过编谱而获得该 点的应力幅值谱，转到第（5）步； （3）如果没有动应力实测数据，有载荷谱，那么 创建有限元模型； （4）根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅 值谱；
车体承担载荷的传递路线
实现轻量化的原理
在满足功能性和安全可靠性的基础上，实 现轻量化设计 1.合理分配结构的质量 2.充分发挥材料的机械性能 3.消除和或避免结构的应力集中效应 4.合理的整体结构刚度 5.合理的材料选择
CW-2转向架焊接构架疲劳裂纹
广深200km/h蓝箭动力车转向架齿轮箱与电机连接螺栓疲劳断裂
F i yzi 根据弹性力学理论计算车体在任意时刻 yz i 1 12 的主应力及其方向，确定车体任意节点的随 zx F i zxi i 1 机应力历程。
12
（3）为了便于随机应力雨流计数，对车体每个节 点的随机应力进行压缩处理，去除中间应力点，只保 留随机应力的峰值和谷值点； （4）用雨流计数法对车体的每个节点的随机应力 历程进行计数，且将每个节点的应力循环分为8级，车 体应力计算结束。
1998年6月4日Eschede
如何实现轻量化？
合理分配承载结构的质量 减低应力集中效应或减轻结构刚度突变 避免结构自振频率与系统频率成整数倍 准确分析结构应力状态 正确合理的方法评估结构的疲劳强度或寿命 合理布置焊缝位置和设计焊接接头
应力计算及其方法
几个应力的概念 名义应力 结构应力（几何应力） 缺口应力
2
方法2——基于BS7608的疲劳寿命预测 算法原理 （1）计算损伤比 n n Sr m 损伤比 N 10 7 ( S ) （Sr>So） 0
n n S r ( m2 ) 损伤比 N 10 7 ( S ) 0
（Sr≤So）
式中：n为被评估点应力幅Sr发生的次数； So为该评估点所在接头的S-N曲线拐点。 m为S-N曲线斜率。 n i N 1 （2）损伤累计