基于损伤一致性的动车组转向架载荷实验谱研究

动车组转向架构架载荷状况复杂,实际运用条件下包含多个基本载荷系,因此转向架构架局部位置的总损伤是若干载荷系在该位置相应损伤的累积;转向架构架实验谱是考核动车组构架寿命的关键手段,在没有实测载荷的条件下如何编制实验谱是本文的研究目标.本文首先对转向架构架承载系统的线性假设、稳定假设及典型假设进行了确认研究;然后根据长期实...     

列车通过道岔时转向架结构振动特性的研究

建立了考虑线路弹性并视转向架构架为柔体的三节车辆组成的列车通过道岔运行的列车/线 路模型. 分析了列车通过道岔时作用于转向架构架上的动载荷,将动载荷通过程序 FEMBS{-1}转化为适用于FE程序的文件并由ANSYS软件分析整个构架的应力分布及最大应力时间历程变化等. 分析对比了列车及单节车辆的仿真结果并与线路动应力试验结果进行了对比. 研究认为列车通过道岔时各构架的拉、压动应力幅值变化各异且在岔心处大于单辆车的相应值,表明单辆车模型适用于初步的计算分析,欲详细分析构架的结构性能应采用多车模型. 根据动应力频谱分析可知,构架的动应力可分为3个频域区,分别对应由直线驶入道岔的曲线上、岔心和岔尖处及构架固有振动频率附近的弹性振动区.     

气动环境下结构噪声载荷谱编制方法

目前针对既受气动静压力又受声载荷的结构,试验考核时大部分是静强度与声疲劳寿命分开考核,但是气动静压产生的拉伸平均应力会影响结构的声疲劳寿命,本研究提供一种气动环境下结构噪声载荷谱编制方法,将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中,便于在实验室中进行疲劳寿命验证。通过有限元研究了气动静压对结构振动特性和响应特性的影响,计算得到了不同压力情况下结构的振动特性,并且得到了气动静压与声载荷联合作用下结构的响应,根据相应材料的随机S-N曲线计算得到不同静压下结构的声疲劳寿命,得出了气动静压达到一定值会严重影响结构声疲劳寿命的结论。随后利用修正Goodman公式将平均应力非零状态的动应力转化为零平均应力时的动应力,然后根据损伤等效关系将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中。研究给出了气动环境下结构噪声载荷谱编制方法。     

疲劳寿命估算的能量法及其实验研究

根据疲劳损伤滞后能等效原理,导出了缺口件与光滑件的当量应力关系,通过Ｎｅｕｂｅｒ公式和饱和应力应变关系,可确定当量应力取值;采用定量方程随机化方程,建立了γ－ｐ－ε－Ｎ曲线（置信度－可靠度－应变－寿命曲线）公式及其实验测试方式;根据疲劳累积损伤理论和γ－ｐ－ε－Ｎ曲线公式,得到了随机载荷谱作用下构件疲劳寿命估算公式;最后,实验验证了复杂实测载荷谱作用下,ＬＹ１２ＣＺ铝合金含孔试样的疲劳寿命估算结果     

挖掘机工作载荷谱识别方法研究

为了快速准确地识别挖掘机等工程机械的工作载荷谱,基于时域内动应变响应与载荷的关系,提出一种新的工作载荷谱识别方法．首先,采集工作中的挖掘机结构上若干测点工作应变谱;其次建立有限元模型,通过有限元方法计算挖掘机在各种可能外载的单位载荷下的应变;最后,建立实测响应与数值模拟测点单位应变之间的关系,通过时间迭代求解结构响应与载荷间关系的线性方程组得到工作载荷谱．为说明方法的实用性和有效性,通过在结构上选择的7个基底测点的假设应变谱和数值模拟单位应变,获得挖掘机样机的工作载荷谱．文章最后讨论了在本文所提方法基础之上求解结构关键位置疲劳应力的方法．     

疲劳线性累积损伤理论的α值实验验证

对疲劳累积损伤临界值进行了实验验证.首先进行了某构件三种随机载荷谱下的疲劳试验,测定了其谱载下的疲劳寿命T;再对载荷谱进行雨流计数,得到了各应力水平的循环次数n;利用疲劳性能Sα-Sm-N曲面,确定了构件在各应力水平单独作用下的疲劳寿命N;最后,根据 Miner公式,估算出各构件的疲劳累积损伤临界值（α值）.根据分析结果推测:α值是一个均值为1的随机变量.     

塔式起重机疲劳载荷谱的编制

用现场实测与有限元动态响应分析相结合的方法，获得DBQ3000塔式起重机的动部件在各种作业工况下的应力-时间历程，经雨流计数与在役历史工况统计分析，编制了各关键零部件的疲劳载荷谱。为该类型塔机的疲劳寿命预估、结构疲劳设计等提供了必要的裁荷依据。     

滚圈疲劳损伤危险点应力-时间历程数值模拟

为了更加科学准确地编制滚圈疲劳损伤危险点的疲劳载荷谱,以广泛应用于大型回转窑的箱型滚圈为研究对泉,对滚圈进行了力学分析.确定了滚圈与筒体、托轮接触的边界条件.综合考虑力和温度的影响因素,建立了滚圈托轮的接触体系模型.针对孔缘危险点,分别作滚圈最低点的孔中心处于0°、3.75°、7.5°三个时刻的稳态热力耦合有限元分析,选取滚圈圆周方向上的应力作为疲劳载荷谱的载荷应力,得出了孔缘危险点的疲劳载荷谱,该载荷谱反映出了温度和截面周期性变化对应力状态的影响,为后续的滚圈强度与疲劳寿命分析提供依据.     

一种改进的原子力显微镜摩擦力标定方法

在传统标定AFM测力系统的楔形法基础上,通过线形加载的扫描方式,得到不同载荷下AFM针尖在平面和斜面上的切向力-位移循环曲线,并进一步计算出不同载荷下的摩擦力标定系数,进而根据该系数随载荷的变化趋势,选取高载下相对稳定的数据作为最终的标定结果.结果表明,由于改进的楔形法全面考察了摩擦力标定系数随载荷的变化趋势,避免了低载标定所引入的误差,标定结果更合理.     

油管的疲劳强度分析

疲劳断裂是油管失效的一种形式 ,本文针对抽油机井常用油管 (J5 5 ,2 1/ 2″)在循环载荷作用下的疲劳断裂问题进行了理论与实验研究。在实测油管载荷谱与应变谱的基础上应用弹塑性有限元法计算油管螺纹内的应力应变场 ,并进行了有关的疲劳实验 ,以得到油管的疲劳强度。油管内第一啮合齿齿根处应力应变最大 ,应力已经达到屈服阶段 ,油管是在高应力应变水平和低应力应变幅状态下工作。当油管内的应力应变进入强化段εeq >1 0 - 2 ε,塑性应变幅超过 4× 1 0 - 5ε时 ,油管就会发生疲劳断裂     

一种基于耗散能计算的高周疲劳参数预测方法

在热力学框架下,基于薄板假设,建立金属材料薄板试样在高周疲劳载荷作用下的热传导方程,将试样温度场数据和实时载荷信号导入,准确计算与高周疲劳损伤相关的单个循环内耗散能. 基于该方法,以316L不锈钢材料为例,通过实时监测试样不同应力水平下高周疲劳破坏全过程中耗散能的变化,拟合出耗散能-疲劳寿命曲线,呈现与传统的应力-疲劳寿命曲线相同的规律;提出一种新的预测高周疲劳极限的能量法,确定的疲劳极限与实验值相近.     

基于移动可变形组件法(MMC)的运载火箭传力机架结构的轻量化设计

传力机架是运载火箭箭体与发动机连接的关键部件,负责将发动机推力载荷有效的传递至箭体,其结构的轻量化设计不仅可以保障火箭发动机的推重比、提高火箭的稳定性,还可以为我国未来可重复使用式火箭的研究提供一定的参考.本文在移动可变形组件(moving morphable component, MMC)的框架下,提出了一种解决传力机架结构轻量化设计的方法.在该方法中,机架结构的拓扑通过一组具有显式几何信息的组件来表示,这使最终优化布局可以被少量的设计变量所描述.通过分析传力机架结构设计的特点和要求,以刚度最大化为目标,体积分数(保证结构重量)为约束,建立了基于MMC显式拓扑优化方法下的问题列式.同时搭建了可对工程中传力机架结构轻量化设计的平台,并进行相应结构的拓扑优化.在两种载荷工况(即零位状态和摇摆状态)作用下,最终优化结果在中间推力载荷区域与锥段相连位置之间,所形成的较大翼板结构增强了传力机架的抗弯能力.通过与传统机架结构的对比,证明了本文所提出方法在传力机架结构轻量化设计方面的有效性.     

考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源, 从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程. 本文基于晶体塑性理论, 从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤, 建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型, 为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法. 首先, 在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度张量的概念, 从变形运动学着手建立了考虑损伤能量耗散的本构方程, 并推导了塑性流动方程与损伤演化方程; 然后, 建立了相应的数值计算方法, 给出了应力与状态变量的更新算法, 推导了Jacobian矩阵的表达式; 接着, 以$[100]$取向的单晶铜材料为例, 通过有限元计算与试验结果的对比, 并采用粒子群优化算法标定了11个材料细观参数; 最后, 将所提细观损伤模型应用于RVE单轴拉伸过程的模拟, 得到了考虑损伤影响的应力应变曲线, 并分析了材料的塑性流动与损伤演化过程. 结果表明, 本文所提模型能够计算材料在受载过程中的损伤累积效应, 合理反映晶体材料的细观损伤机理.      

动静态气密性分析方法及其在动车组上的应用

随着运行速度的提升, 高速动车组受到的外部激扰愈发剧烈. 尤其是动车组通过隧道和在隧道内交会时, 车体外表面产生的剧烈瞬变压力传入车厢内, 会引起司乘人员耳感不适等问题. 为研究动车组运行过程中的气密性能对车内气压波动和乘客乘坐舒适度的影响关系, 本文采用动静态测试结合的分析方法, 结合时间常数模型和当量泄漏面积模型, 通过在不同车辆内外部布置气压波动监测传感器, 对四级修前后的高速动车组进行了线路运行气动载荷测试; 针对不同部位具体结构特征开发了不同型式的气体泄漏量测试工装, 并对不同车辆的静态气密性进行了测试研究. 搭建了动静态气密性能分析模型并获得了动静态气密指数, 总结了隧道条件、运行速度等因素对车内压力波动和动态气密性能的影响规律, 同时针对典型气密部件的泄漏量和泄漏面积进行了分析, 对气密敏感部件进行了影响度排序并提出了优化方案. 本文提出的方法和相关研究数据对于关键部件的设计方案和修程修制优化具有一定的参考意义.      

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

铁电陶瓷PZT的实验本构研究

用低频高压电源和液压加力架实验研究了力电载荷下铁电陶瓷软性ＰＺＴ（Ｐ－５１）的单轴应力应变关系,在不同压应力下的电滞回线和蝶曲线,实验发现随着压应力的增加。ＰＺＴ的铁电特性发生很大的变化,尝试用电畴来解释ＰＺＴ在不同压力电性的变化规律和退极化效应,在本实验中,我们很好的解决了测试材料高压性能中常出现的绝缘问题和电弧放电问题,获得了比较系统的实验结果。     

航空铝合金力学与电化学耦合点蚀损伤模型研究

点蚀是航空铝合金材料在服役环境下常见的损伤形式,点蚀损伤会导致材料性能的下降, 严重地威胁着结构的承载能力。作为承力构件,航空铝合金不仅承受环境腐蚀的作用,还承受应力作用。论文根据点蚀基本原理,引入细观损伤变量孔隙率,考虑力学化学效应,建立了点蚀损伤弹性模量计算模型。使用2219铝合金,进行加速腐蚀试验和单向拉伸试验,利用显微扫描技术研究了点蚀坑深度随时间和载荷的变化,并对腐蚀后试验件的损伤宏观形貌进行观察分析。根据拉伸实验结果,对模型的正确性进行验证。模型计算与实验结果的对比证明了本文方法的可行性与正确性。     

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

A methodology for studying fatigue crack propagation under spectrum loading: Application to rail steels

A testing procedure is applied to investigate the fatigue behavior of the detail fracture, in rail steel, under Mode I train stress spectrum. The results show that fatigue crack under spectrum loading depends on a “dynamic” accumulation of damage. This term is related to the load sequence in the spectrum and the gradient of the elastic stress intensity factor. It is theoretically very difficult to quantify this term. The rationale underlying the testing procedure is such that this dynamic term effect is implicitly included in the experimental results. The detail fracture was modelled by the penny-shaped crack geometry. This model has proved, in this study, to be satisfactory for simulating the fatigue growth of the detail fracture.     

黄土固结蠕变特性试验研究

基于杨凌地区黄土的单向固结试验资料,分别研究了加载条件下原状黄土和扰动黄土的固结蠕变特性,由试验数据整理分析出不同含水率、不同固结压力下的固结蠕变曲线簇,根据蠕变曲线形态特征,推导出单向固结条件下黄土的应变-时间关系并拟合得到该关系中的参数,在分析参数与固结压力之间关系的基础上推导出黄土的一维固结蠕变本构关系,经试验证明,该关系能较好的描述杨凌地区黄土的固结蠕变特性。另外,基于试验资料以及Buisman次固结系数的概念,分析出次固结系数与固结压力之间的定量关系,为确定固结压力对黄土次固结特性的影响提供了一种新途径。