《铁道车辆工程》教学课件PPT
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车辆工程第十章第十章 车辆结构强度车辆结构强度米彩盈米彩盈机械工程学院机械工程学院机车车辆工程系机车车辆工程系第十章第十章 车辆结构强度车辆结构强度本章的重点1.作用在车辆上的载荷2.车辆结构强度分析方法3.结构强度评定准则4.多轴应力转化单轴应力的方法5.修正Goodman曲线绘制方法和应用6.结构强度设计、分析和试验标准车辆结构强度的重要性车辆结构强度的重要性车辆承载结构疲劳失效典型实例 1998年年6月月10日（日（Eschede），），ICE-1拖车弹拖车弹性车轮轮辋疲劳断裂性车轮轮辋疲劳断裂2008年年7月月9日（日（Kln），），ICE-3动车车轴疲劳动车车轴疲劳断裂断裂1998年6月4日Eschede车辆强度分析的目的和内容 车辆结构强度分析的目的车辆结构强度分析的目的 为了确定车辆承载部件在运用荷载作用下具有的承载能力，保证其在使用期间内具有安全性、可靠性和稳定性。同时应尽可能减小车辆及其部件的结构自重，充分发挥结构的整体承载能力。车辆结构强度分析的内容车辆结构强度分析的内容 1.确定计算载荷与载荷工况：根据相关的结构强度设计和试验鉴定标准确定车辆在运行中承载部件所承担的各种载荷的大小、作用方式、作用位置以及各种载荷的组合情况等；2.强度、刚度和稳定性计算：在上述计算载荷作用下，确定相关承载部件的强度、刚度和稳定性。3.计算结果评定：强度分析分为静强度和疲劳强度分析，根据计算应力及其应力变化规律分别评价；刚度由结构变形和自振频率评价；稳定性由屈曲分析进行评价。车辆强度规范 强度规范强度规范是车辆结构设计、强度计算和试验的法律准则，如果按车辆的功能分为机车的、客车的、货车和特种机车车辆的四类，如果按线路轨距分为米轨、准轨和宽轨三类。强度规范的作用强度规范的作用是保证机车车辆的运行性能和使用安全。规范对机车车辆结构必须满足的载荷和环境条件以及对设计、制造、试验、维护和使用的要求做出规定。机车车辆强度规范规定了对机车车辆结构的实际要求、载荷和环境条件以及研制程序。静强度规范还对结构的刚度特性提出要求。我国在机车车辆行业的标准是中华人民共和国铁道部标准（TB/T）。随着我国引入国外200km/h和300km/h动车组技术，机车车辆承载结构的设计和强度分析与试验规范越来越多地采用国际铁路联盟标准（UIC）、欧洲标准（EN）、北美洲铁路联盟组织标准（AAR）、国际标准（ISO）、德国工业标准（DIN）、德国焊接协会标准（DVS）和日本工业标准（JIS）等。车辆结构主要设计试验标准构架UIC515-4/TB/T2637UIC615-4/TB/T2368UIC510-3/TB/1335EN13749JIS E4207车体UIC566、UIC577EN12663-1/TB/T2541/TB/T1806EN12663-2 TB/T1335/AAR M1001DVS1612钢结构DVS1608铝合金车辆结构主要设计试验标准车轮UIC510-5EN139791车轴UIC515-3EN13103/TB/T2705EN13104/TB/T2395结构强度评定方法 车辆结构强度评定分为静强度和疲劳强度评定。静强度评定方法 车辆结构部件在相关标准规定的载荷作用下，其静强度满足设计和运行的条件为 （1）在正常运行载荷作用下，其按第三强度理论确定的最大等效应力或者按第四强度理论确定的最大von_Mises应力不大于制造材料的许用应力，即有：（2）在运行中最大载荷（发生行车事故时承担的载荷）作用下，其按第三强度理论确定的最大等效应力或者按第四强度理论确定的最大von_Mises应力不大于制造材料的屈服极限，即满足关系式：S 安全系数 s 材料的屈服极限或者比例极限0.2。在EN12663标准中，车体母材区域的屈服极限为材料标准规定的最小值、焊缝区域的屈服极限较母材低10%，安全系数S=1.15。在ERRI B12/RP17和UIC566、UIC615-4和UIC515-4等标准中，在正常运行载荷作用下，焊接结构母材和焊缝区域的许用应力满足关系式：母材：=s/1.5 焊缝：=s/1.65疲劳强度评定方法单轴和多轴应力状态的判定方法 确定受力体的应力状态是单轴还是多轴应力状态，当满足关系式 即为单轴应力状态，否则为多轴应力状态。式中：1 绝对值最大的主应力；von_Mises 按第四强度理论的等效应力。多轴应力转化为单轴应力的工程方法ERRI B12/RP17疲劳裂纹扩展方向与最大主应力方向相互垂直将载荷循环的峰值和谷值点确定为载荷工况 结构在确定的结构在确定的m个载荷工况的载荷作用下，个载荷工况的载荷作用下，按照按照FE方法结构每个区域在不同载荷工况作用方法结构每个区域在不同载荷工况作用下的应力分布，找出每个区域的最大和最小应下的应力分布，找出每个区域的最大和最小应力，确定其应力变化规律，评定结构的疲劳强力，确定其应力变化规律，评定结构的疲劳强度。度。（1）确定结构在不同载荷工况作用下的主应力值和方向；（2）将所有载荷工况作用下结构的最大主应力方向确定为基本应力分布方向，其值为最大计算主应力，计算其与结构基准线（或计算模型的整体坐标系的坐标轴线）的夹角，如下图a所示；（3）将在其它载荷工况作用下的主应力投影到基本应力分布方向上，其投影值最小的应力值确定为最小主应力，如下图b所示；（4）由最大和最小主应力值计算平均应力和应力幅或应力比；（5）用修正Goodmann疲劳曲线或Moore-Kommer-Japer疲劳曲线评定结构的疲劳强度。图 主应力方向确定及其投影示意图 修正的Goodman曲线修正的Goodman曲线的形式 修正的Goodman曲线一般划分为Haigh图形式（以平均应力为横坐标、应力幅为纵坐标）或Smith图形式（以平均应力为横坐标、最大、最小应力为纵坐标）。例如：下图分别给出Haigh形式和的Smith形式的修正的Goodman曲线。Haigh形式的形式的Goodman曲线曲线PSmith形式的形式的Goodman曲线曲线 对于采用塑性材料制造的铁道车辆承载结构，在单轴或者多轴应力状态下，结构静强度满足设计要求的条件为：|()max或者min|()S 对于单轴应力状态，()max或者min 即为按照材料力学方法得出的计算应力值。对于多轴应力状态()max或者min 即为按照材料力学方法或者有限元方法得出的计算等效应力值。对于塑性材料，等效应力按第三和或第四强度理论计算；对于脆性材料等效应力按第一和或第二强度理论计算。金属材料在对称循环下的疲劳极限取决于材料的强度极限-1b 根据Goodman的简化理论，其平均应力、应力幅、疲劳极限和强度极限满足关系式：即为通常所说的Goodman方程。Haigh形式的形式的Goodman曲线曲线修正的Goodman曲线的应用 （1）图示的修正的Goodman疲劳极限图假设压缩时的强度极限、屈服极限与拉伸时相等，这一点对于多数材料是合理的，但对于铸铁及一些铸Al、Mg合金，其压缩强度极限、屈服极限比拉伸时高得多，此时，图中给出的是偏于安全的应力极限；（2）实际材料压缩平均应力对疲劳极限的影响与拉伸平均应力的影响不同的，一般随压缩平均应力的增加，极限应力幅总是先大幅度增加而后再下降。图中假设压缩平均应力对极限应力幅没有影响，在压缩屈服前极限应力幅与平均应力是的一样。如此得到的疲劳极限线图是偏于安全的，就工程设计和计算而言，也是可以接受的；（3）图中是在单轴应力状态下得到的，只适应于单轴应力疲劳问题。对于多轴应力状态下的疲劳问题，不仅要考虑平均应力的影响，而且还要考虑多轴应力之间的相互作用。因此，需要将静强度理论与修正的Goodman曲线关系结合起来，进行疲劳设计或强度校核。但是，当最大主应力的作用占主导地位时，工程上为了简化，也可以根据最大主应力值的大小以及沿最大主应力方向上的平均应力大小，利用修正的Goodman疲劳极限线图直接进行强度设计和校核。ERRI B12 RP17
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