虚拟疲劳试验及其在重载敞车结构设计中的应用

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1、虚拟疲劳试验及其在重载敞车结构设计中的应用

2、第1...0引言当前，提速/重载在迎合社会需求的同时，随之也出现了一些值得关注的问题，其中，机车车辆许多构件，尤其是焊接构件，服役不久频繁发生疲劳断裂，并导致了重大经济损失。客观上，由于提速/重载，机车车辆动负荷加剧，然而，这不过是问题的外因，而内因则是我们对这些机车车辆装备没有注入与提速/重载相匹配的且有相当储备的抗疲劳能力，许多疲劳断裂案例分析表明：在设计阶段，我们仍停留在传统的静强度设计层次上，对焊接构件尤其缺少抗疲劳设计的理念，缺少相应的技术，缺少必要的基础数据。因此，许多疲劳断裂隐患始于设计阶段。事实上，自从人们认定“预防疲劳断裂”是

3、一个公认的难题以来，一个普遍被接受的现实是：由于疲劳断裂问题难于从理论上建模，因此，“预防疲劳断裂”的措施是否有效，只能通过各种形式疲劳实验来回答，毫无疑问，这种观点是正确的。然而，另外一个事实是，当产品只在“图纸”上时，包括疲劳试验在内的任何实验均无载体，因此，设计阶段抗疲劳措施是否有效，对简单问题可以查阅设计手册予以校验，对机车车辆中典型焊接结构的抗疲劳措施是否有效则很难判断，显然这不是我们所希望的，而“事后验证”不仅有可能导致较大的投入风险，且由于疲劳断裂现象的时延特性，它还有可能导致在设计阶段埋下重大事故隐患。面对如此严峻的挑战，消极回避是不可取的，为此本文提出了虚拟疲劳试验技术

4、对策，以试图尽最大可能地化解上述矛盾，从而使机车车辆焊接结构抗疲劳设计在产品的图纸上就能卓有成效地展开。1虚拟疲劳试验的基本意义与技术路线从理论框架上看，虚拟疲劳试验应属于虚拟样机性能仿真范畴，其基本定义应该是：利用有限元数值仿真技术，在计算机虚拟环境下实现疲劳试验，从而在物理样机没有制造出来之前的产品设计阶段预测其疲劳寿命，并支持抗疲劳设计方案的无数次修改。类似于物理样机的实验室疲劳试验，虚拟疲劳试验也需要二个必要条件：•疲劳载荷三要素（加载点，加载幅值，加载频率）•以S-N曲线描述的焊接接头数据库不同于物理样机的实验室疲劳试验，虚拟疲劳试验的加载对象不是物理样

5、机，而是产品的三维有限元数值模型。一般地说,疲劳寿命预测的技术路线是：对虚拟疲劳试验而言，将上面的原则具体化,其技术路线是：(1)对设计对象，创建有限元模型，关键的承力焊缝，应参照IIW标准离散成有限元网格；(2)如果有可借用的载荷谱，例如：AAR为货车提供的车钩力谱，则加载到有限元模型中求其动应力响应，并转到（4）；(3)如果没有可借用的载荷谱，则按照实验室疲劳加载模式加载，例如：取UIC标准等幅加载到有限元模型中求其动应力响应；(4)动应力编谱；(5)依次创建待评估点的S-N曲线；（6）迈纳尔损伤累积理论求寿命；（7）如满意，退出计算，否则修改设计，并转到（1）。显而易见,虚拟疲劳试

6、验的关键是:•高质量的有限元模型•相对完备的以S-N曲线描述的焊接接头数据库一旦这两个基本条件具备,虚拟疲劳试验将不是一件难事。