机车车辆结构可靠性研究
代表性研究成果名称 |
基础类或应用基础类或基础性类 |
完成单位署名排序 |
本室固定人员参加数 |
是否保密 |
|
机车车辆结构可靠性研究 |
应用基础类 |
1 |
10 |
|
|
随着高速、重载铁路的发展，旅客列车运行速度和货车载重量的增加，铁路系统的动态作用加剧，这对机车车辆的结构可靠性提出新严峻的考验。结构可靠性性能和动力学性能成为轨道车辆最重要的研究课题。尽管实验室在本研究方向起步相对较晚，但在国家自然科学基金项目、863计划项目和铁道部科技计划项目的支持下，利用实验室在动力学研究和试验装备上优势，在机车车辆结构可靠性研究方面，从基础研究、工程试验到标准体系建立，取得阶段性的成果。 （1）焊接疲劳裂纹形成机理与扩展行为研究 完成了1Cr18Ni9Ti焊缝材料疲劳裂纹形成机理与扩展行为研究。应用疲劳损伤局部化演变观点及先前提出的“有效短裂纹准则”，阐明了光滑与钝缺口表面疲劳损伤过程中，微裂纹密度、尺度和形态存在内在规律性演化：“有效短裂纹”做出直接贡献；“非有效短裂纹”以“有效短裂纹密度”的形式，通过影响“主导有效短裂纹”的萌生及扩展做出间接贡献；“主导有效短裂纹”行为是“有效短裂纹”交互作用和“非有效短裂纹”影响的结果，是表征光滑与钝缺口表面疲劳损伤的唯一合理途径；阐明了疲劳裂纹扩展率、材料循环本构和循环应力/应变幅—寿命是3种相互关联的随机关系，疲劳性能随机性的本质原因是“主导有效短裂纹”萌生区域及裂尖前沿的微观组织结构与环境存在差异性，疲劳损伤是一个由初始微观结构短裂纹阶段的混钝随机状态，到脱离微观结构约束时的独立无关随机状态，再到物理短裂纹阶段的损伤史相关的随机状态的演化过程；提出了以局部循环应变能密度和“主导有效短裂纹”尺度为损伤驱动力的非线性扩展率方程。形成了光滑与钝缺口表面疲劳裂纹形成、扩展行为新理论。并应用有关理论，采用有限元模拟技术，成功模拟了铁道车辆LZ50车轴钢的疲劳短裂纹萌生与扩展行为。 发表学术论文10篇，其中SCI收录2篇、EI收录10篇。有关成果已产生一定国际影响： （2）应变疲劳可靠性理论研究 继发现1Cr18Ni9Ti焊缝金属随机循环本构现象后，在0Cr18Ni10Ti、LZ50车轴钢、B级车轮铸钢和B级摇枕与侧架铸钢试验中验证了发现，提出了描述随机循环本构现象的可靠性模型；提出了描述循环应变幅-疲劳寿命关系的可靠性模型；克服国际上现有4种具有独立思想的方法，即Wirsching–Torng–Martin、Bargmann–Rüstenberg–Devlukia、Baldwin–Thacker和Zhao– Tang–Wu法的缺陷，建立了考虑循环本构随机性、随机循环本构与环应变幅—寿命概率模型中所有材料常数随机相关的应变疲劳可靠性理论新体系。 研究成果已在国际上产生一定影响：完整的理论框架文章已发表在国际SCI、EI杂志《Int J Fatigue》上。该杂志主编M. （3）材料超长寿命研究 研究了以轴承钢等为代表的高强度钢的超长寿命疲劳行为及性能，阐明了加载方式、材料表面粗糙度、表面改性处理、超声波加载频率及材料内部夹杂尺寸对高强度钢超长寿命疲劳行为及性能的影响，揭示了高强度钢超长寿命区内部疲劳破坏的过程。另外，也研究了以铁路车轴钢为代表的低强度钢超长寿命的疲劳行为及可靠性评估方法，提出了基于有限寿命区的试验数据推定疲劳极限的可靠性评估方法。取得的成果如下： Ø 提出了高强度钢具有表面裂纹萌生和内部裂纹萌生的两条S-N曲线，阐明了表面裂纹萌生的S-N曲线受材料表面粗糙度和加工残余应力的影响，而内部萌生裂纹的S-N曲线只受材料内部夹杂物尺寸的影响。 Ø 阐明了表面改性方法不能提高高强度钢超长寿命区轴向加载条件下的疲劳强度；使材料内部产生较小的拉伸残余应力值的同时，在材料表面产生应力幅值不高的较深的残余应力分布的表面改性方法可以提高高强度钢超长寿命区的弯曲疲劳强度。 Ø 揭示了高强度钢超长寿命区内部疲劳破坏的过程，提出并验证了“碳化物离散剥离过程控制超长寿命疲劳的主要过程”。 Ø 阐明了超声加载频率及裂纹萌生处温度对高强度钢疲劳裂纹萌生及性能的影响，提出了超声加速疲劳试验不易用于强度等级较高的高强度钢的定量研究。 Ø 提出了对于表面和内部裂纹萌生机制同时存在的超长寿命疲劳可靠性评估方法。 Ø 揭示了铁路车轴钢的疲劳破坏机理，阐明了不同的表面改性方法对车轴钢的疲劳强度的改善程度。 Ø 运用等效损伤理论及S-N曲线方程，提出了基于有限寿命区的试验数据推定疲劳极限的可靠性评估方法。 研究成果分别获得了2004年日本材料学会论文奖和2006年高等学校科学技术自然科学一等奖。发表学术论文14篇，其中SCI收录3篇、EI收录7篇。国际会议4篇。 （4）货车转向架结构可靠性研究 完成了货车转向架LZ50车轴钢、B级车轮铸钢和B级摇枕与侧架铸钢3种关键材料到结构全套疲劳可靠性性能数据，包括单调力学性能、循环本构、疲劳极限、尺寸与表面质量效应、循环应力幅—疲劳寿命关系和疲劳裂纹起裂门槛值、短裂纹韧度及裂纹扩展率可靠性参数与曲线的试验研究。完成了C70货车 Ø 首次揭示了常规疲劳极限测试法没有区别失效试样寿命差异的影响，提出了改进方法和不完善数据的Monte Carle重构法； Ø 克服常规法和经典极大似然法受局部数据偏差影响的缺陷，建立了确定包含存活概率、置信度疲劳S-N曲线的广义极大似然法和重构不完善概率S-N曲线的Monte Carlo模拟法； Ø 克服了ASTHHO和ECCS标准外推曲线不通过材料自身疲劳极限数据的缺陷，建立了新的超长寿命范围概率疲劳S-N曲线的外推方法； Ø 综合试验测定了尺寸、表面加工质量疲劳效应，建立了从材料疲劳性能到结构疲劳性能的综合影响系数法，建立了包含超长疲劳寿命范围、用万公里表示的铁道车辆结构设计Goodman-Smith图的编制与应用方法； Ø 揭示了常规疲劳裂纹启裂门槛值中最小裂纹扩展率不等的缺陷，建立了新的推演法； Ø 揭示了国际上著名的Paris、Forman和Elber裂纹扩展模型的局限性，提出了新的包含启裂门槛值和断裂韧度的疲劳裂纹扩展可靠性模型。 Ø 建立了考虑材料循环本构随机性、包含超长寿命范围的应力疲劳可靠性分析理论和以包含裂纹启裂门槛、断裂韧度裂纹扩展新模型为基础的缺陷安全评价理论的新体系 发表期刊学术论文30篇，其中SCI收录5篇、EI收录27篇。RD2车轴疲劳可靠性与缺陷安全性研究成果，为2004年铁道部科学解决6起列车脱轨重大事故提供了依据，直接导致了在中国铁路货车范围全面取消车轴卸荷槽结构的技术更新和实施新的缺陷维修标准，节约国家投资过亿元。 （5）仿真疲劳试验研究 利用虚拟疲劳试验台技术，开展台架试验环境与构架真实服役环境相关性研究。利用仿真计算服役载荷结合虚拟试验台，对比损伤部位及损伤量，为物理台架评价提供基础。利用虚拟台架，还进行了加载方式，通道协调，加速疲劳试验方法以及随机加载及随机应力重现等问题的研究。虚拟试验台架包含弹性构架、构架弹性支撑约束、各方向作动器及载荷、虚拟应变片（测量虚拟试验的动应力）。建立含弹性构架的虚拟样机系统，将能为深入研究机车车辆关键部件，以及类似的机械系统，提供重要的试验指导，提供试验周期缩短加速产品开发的理论依据，为疲劳可靠性研究提供重要的理论支持平台。 深入研究Alstom公司、Siemens公司、川崎重工、Bombardier等国外各大机车车辆制造企业转向架的疲劳试验方法，结合中国铁路的特点，提出了合理可行的转向架主要部件疲劳实验实施方案，完成了CRH1、CRH2动车组构架静强度及疲劳试验。其中CRH1动车组动车转向架的疲劳试验动态加载8个通道，静态加载还有另外的8个通道；实现了与欧洲Bombardier试验方法的全面接轨；CRH2动车组动车转向架的疲劳试验动态加载8个通道，静态加载还有另外的8个通道，实现了与日本川崎重工试验方法的全面接轨，并为企业提供了重要的设计改进建议，为我国高速动车组的安全开行提供了重要保障，也为我国转向架主要部件疲劳试验相关标准的制定提供了重要基础，试验研究达到世界先进水平。 （6）高速列车动车组的寿命与可靠性设计技术 在863计划项目“高速列车动车组的寿命与可靠性设计技术”(2006AA04Z406)的资助下，课题组正在进行中国首个高速列车动车组可靠性设计分析平台的研发工作。以引进动车组为原型，分别开展动力学仿真分析和关键部件(轮轴、转向构架、车体、基础制动装置)可靠性设计分析及机械系统可靠性分析软件子平台的研制工作。有关工作具有先进性、创新性、关联性与独立性： Ø 以国外相关设计分析标准为基础，以先进的可靠性设计理论与方法为支撑，确保相关工作处于国际先进水平； Ø 在建立统一标识系统基础上，进而建立包含方案、历史经验、服役条件、设计基础和评价标准的5个支撑数据库及管理系统，数据库具有日积月累的效果，使软件具有开放性和创新性； Ø 各子系统相互关联，通过数据库管理系统实现各自独立运行。 本成果的部分成果内容，如“超长寿命疲劳问题研究”2006年获教育部自然科学一等奖、“有限数据下疲劳可靠性设计分析方法与试验研究”2003年获四川省科技进步二等奖。 |
||||
