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基于二次开发技术及AAR标准的货车焊接结构疲劳寿命预测


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第2 9卷 第 3期  200 7年 6        月

铁 

道 

学 

报 

Vo I 9 l2   

No 3 . 

J 0URNAL 0F TH

E CHI       NA  RAI W AY S L   0CI ETY 

J n  u e

20  07

文章 编 号 :l O 一 3 0 2 0 ) 30 9 — 6 O l8 6 ( 0 7 0 —0 4 0 

基于二次开发技术及 A R标准的货车  A 焊接 结构疲劳寿命预测 
李 晓峰   李 向伟 , 兆 文 忠  ,  
( .大 连 交 通 大 学 机 械 工 程 学 院 , 宁 大 连 1 辽 16 2 ; 1 0 8  2 .齐 齐 哈 尔 铁 路 车 辆 ( 团) 限 责 任 公 司 技 术 中 心 , 龙 江 齐 齐 哈 尔  1 1 0 ) 集 有 黑 6 0 0 



要 :为解 决 对 铁 路 货 车 车 辆 焊 接 结 构 疲 劳 寿 命 预 测 的 难 题 , 用 I E 运 - AS软 件 提 供 的二 次 开 发 功 能 , 制 了  D 研

基 于 AAR标 准 的 铁 路 货 车疲 劳 寿命 预 测 系统 。采 用 C R A 与 I E O B - AS互操 作技 术 将 载荷 谱 处 理 模 块 、 E D F A结  果 提 取 模 块 、 劳计 算 模 块 、 合 计 算 模 块 以 自定 义 ION 形 式嵌 入 到 I E 疲 综 C - AS软件 之 中 。采 用 Mi r 性 累 积  D n 线 e 损 伤 理 论 及 AAR标 准 中提 供 的 sN 曲线 , 现 了有 限元 分 析 与 疲 劳寿 命 预 测 的系 统 集 成 。最 后 , 实 以铁 路 重 载 运  煤 货 车 为 实 例 , 行 疲 劳 寿 命 预 测 与 方 案评 估 , 明 当从 疲 劳 寿 命 的 角 度 对 铁 路 货 车 的设 计 方 案 选 优 时 , 文 的  进 证 本 研究是有实用价值的 。   关 键 词 : 路 货 车 ;A 铁 AR标 准 ;疲 劳 寿命 预测 ; 次 开 发  二
中 图分 类 号 : 7 ; 7 . 2 文 献 标 志 码 :   U2 2 U2 0 1  A

Pr d c i n o   tg e Lie o   iwa   hi l  e d d Co s r c i n Ba e   e i to   f Fa i u   f   f Ra l y Ve c e W l e   n t u to   s d o   e o a y De e o m e t Te h l g   nd S a d r ? n S c nd r   v l p n   c no o y a   t n a d AAR 
LI Xio f ng   a — e  , LIXi n w e , ZH AO  e — h g   a g— i   W n z on  
( . S h o  fM e h nclEn ie rn 1 c o lo  c a ia  gn e ig,Dain Ja t n   nv r iy la  io o gU iest ,Dain 1 6 2 l   1 0 8,Chn   a ia;

2 Te h i  n e ,Qiia  i yRol g S o k ( ou )Co Lt . c ncCe tr qh rRal   ln   t c Gr p wa i . d,Qiia  61 0 qh r1 0 0,Chn ) ia 

A b ta t To s l e t   fiul  o e   fpr d c i g t e f tgu   ie o   l d c s r to   f r iw a   e — sr c :   o v   he difc tpr blm o   e itn   h   a i e lf  f we de   on t uc i ns o   a l y v hi  ce ls,t   u ton o   e on r   e e o he f nc i   fs c da y d v l pm e t b   e n   ft  - n   y m a s o   he IDEA S s fw a e i  iie   o de e o   he St nd     o t r  s utlz d t   v l p t   a — a d A A R  a e   a i ue lf  e c i g s s e  or r iwa   hil s U sng t e COR BA —— r- b s d f tg -ie pr ditn   y t m f   a l y ve ce . i  h  IDEA S i t r e a iiy   n e op r b lt   t c i e,t   o l   o d s e t um  o e s n e hn qu he m du e ofl a   p c r pr c s i g, m o l  f FEA  e u t  xt a ton, m o ul    a i e lf  du e o   r s ls e r c i d e of f tgu   ie c lulto   n   o a c a i n a d m dul  fc e o   om pr he sve c l u a i n a e e b d d i t   h   — e n i   a c l to   r   m e de   n o t e IDEA S s t a e a   efde i e   —   ofw r  s s l- fn d I  CO N . T h   i ie e e e   n l s sa   a i e lf  r d c i n a e i e r t d i t   he s s e o   he b ss oft   e fn t  l m nta a y i  nd f tgu   ie p e i to   r  nt g a e   n o t   y t m  n t   a i    he M i e   i a  a a e a c m u a i   he r   n     do to   f t   N  da a i l e  i  a da d A AR . As a n rlne r d m g   c u l ton t o y a d by a p i n o   he t   ncud d n St n r —    p a tc le m p e,t  a i ue lf  f h a y l a   o lw a ns i  r d c e   nd t   sgn s he e i  v l a e   r c ia  xa l he f tg   ie o   e v —o d c a  go   s p e it d a   he de i   c m   s e a u t d. T he r s a c   e u t   o e t   e o   a tc lv l e w he   ee tng t   tm um  a l a   a n d sgn s he e i    e e r h r s ls pr v   o b   fpr c ia  a u   n s l c i   heop i r iw y w go   e i   c m  n ve o   a i e lf  r d c i n. iw  ff tgu  ie p e i to   K e   r s:r iw a   e c e ; S a da d A A R ; f tgu   ie;s c nd r   e e o m e   y wo d a l y v hil s tn r- a i e lf e o a y d v lp nt

疲劳 断裂 产生 的机 理 很 复杂 , 劳 寿命 预测 涉 及  疲 到 力学 、 料 、 金 、 理统 计等 多学科 的交叉 , 材 冶 数 往往 需  要 大量 的实测数 据 , 尤其 是 对 焊 接结 构 的疲 劳 寿命 预  测更 为 困难 。随着 中国铁路 一 系列 提速 、 重载 新产 品 
收稿 日期 :20 —10 :修 回 日期 : 0 70 -6 061- 7 2 0— 11  基金 项 目 :辽 宁 省教 育 厅 科 学 技 术 研究 项 目资 助 ( 5 0 2  0L 5) 作者 简 介 :李 晓 峰 ( 9 2 ) 1 7 一 ,男 ,黑 龙 江 齐 齐 哈 尔 人 ,讲 师 ,硕 
士。   E- i:l f dt . d . n mal x @ ju e u c  

的产生 , 以传 统 的静 强度 设计 理念 进行产 品设 计 , 往  往 使 产 品结构静 强度 有余 而 疲 劳 强 度不 足 , 已经 成 为  这 产 品运 用 中严 重 的安全 隐患 。但 由于 目前 还不 能从 理  论 上将影 响疲 劳 的众 多 复杂 因素归 纳为统 一 的物理 模  型或数 学模 型 , 因此 , 对疲 劳 问题 的研究 目前还 主要 集  中在实 验 环 节 上  ] 。但 实 验 本 身 不 仅 需 要 物 理 样 
机, 且成 本 高 、 期 长 。为 此 , 者 开 发 了 基 于 AAR 周 笔  

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第 3期 

基 于二 次 开发 技 术 及 AA 标 准 的 货 车 焊 接 结 构 疲 劳 寿 命 预 测  R

标 准 的 焊 接 结 构 疲 劳 寿 命 预测 系 统 , 目的 是 以 美 国  AAR标 准为 内核 , 提 速重 载 货 车 为应 用 对 象 , 发  以 开


阵 类 型选择l  

个平 台 。该 平 台的功 能是 : 在方 案设计 阶段 , 对设  能

计 中包 括焊缝 在 内的每 一个结 构 细节进 行疲 劳寿命 预 
测, 从疲 劳寿 命预测 结 果 中 , 设 计 方 案进 行 比较 , 对 从  而支持 可靠 性设计 。  

1 基于 A   AR标 准 的 焊 接 疲 劳 寿 命 预 测 系统 
AAR机 务标 准 , 美 国铁 路 协会机 务部 门 的推荐  是

标准 , 在许多 铁路 货 车 设计 部 门得 到 了广泛 应 用 。该  标准 的《 新造 货车 的疲 劳设 计 》 , 中 提供 了典 型 焊 接接  头  N 曲线 实验 数据 , 还提 供 了多种 货 车 车型 实 测 载 
荷 谱 。运用 Mie 线性 累 积损 伤 理 论 , 货 车 焊 接结  nr 对

构 的疲 劳寿 命预测 , AAR标 准给 出 了一 条完 整 的技术 
路线 。  

AAR标 准提供 了 8 0种用 于 焊接接 头疲 劳寿命 预  测 的钢结构 及铝合 金 结构 的  N 曲线 , 这些 数 据 可 以  支持 复杂 的工程 问题 , 其 对 基于 寿命 要 求 的设 计 方  尤
案对 比意义 重大 。  

1 1 结构 总体设 计  .
疲 劳寿 命预测 系 统 以铁 路工 厂 内被广 泛 使 用 的 I  


图 1 系 统工 作 流 程 不 意 图 

D AS软件 为基础 。开发 过 程 中采 集 了 AAR标 准  E

待评估 点 的位置 ;   ( )从 AAR标准 中选 定合适 的载荷谱 ; 2   ( )根 据 载 荷 谱 中 的 指 定 值 加 载 到 有 限 元 模 型  3
上 , 而对 应力分 布 进行标 定 ; 从  

中提供 的大 量实 验数 据 , 以工 程上 通 用 的 Mie 线 性  nr
累积损 伤理论 为依 据 , 面 向 对 象 的 VC+ +为 开 发  以 语言及 AD 数据 库技 术 , 用 大 型 C / AE分 析  O 运 AD C

软件 I E - AS提供 的二次 开发 接 口, 发 了基 于 AAR D 开   标准 的铁路 车辆疲 劳 寿命 预测 系统 。  
该 系统 在 开 放 性 的数 据 库 系 统 中 , 置 了 AAR 内  

( )根据 载荷 谱 的变 化 规律 , 得 预 测 对象 的动  4 获
应 力谱 ;  

( )双 向应力 状态 下 , AAR标 准 的要 求获 取用  5 按 于疲 劳评估 的当量应力 ;   ( )根据该 点应 力变 化情况 , 其循 环特性 ; 6 求  
( )根据 该 点 所 在 焊 接 接 头 形 式 , AAR 标 准  7 从

标 准 中提供 的所有货 车 车 型载 荷 谱数 据 、 接 接头  焊
N 曲线 数据 及 Go d n曲线 数 据 。 以 自定 义 I ON o ma C   形 式 嵌 入 到 I AS软 件 之 中 , 计 人 员 可 以 运 用  - DE 设

F A数 据 提取模 块 与 I A E - DE S软 件 相互 配合 , 自动 提 
取 ID A - E S后处 理 结果 中 的应 力 数 据 , 以可 视 化 方  并 式从 AAR标准 中选 择 焊 接 接 头数 据 , 后 写 入 疲 劳  然

中, 选择 建立修 正 Go d n图的参数 ; o ma   ( )根 据 Mie 损 伤 累计 理论 逐次 计 算待 评估 点  8 nr 的疲劳 寿命 。   该 流程 图 中“ Iw 标 准 编 应 力 谱 ” 一 项 附 加  按 1 是 功 能 , 支持 不考 虑应 力 循 环 特性 而 考 虑 应力 变 化 范  它 围的疲 劳寿命 预测 l 。 _  3 ]
1 2 软 件 系统功 能模块  .

评 估点参 数 。该系统 运用 Mie 线 性 累积 损 伤 理论 , nr   根 据疲 劳评 估 点数据 及 载 荷 谱数 据 , 速计 算 出疲 劳  快 损 伤值及 设 计 寿 命 汇 总 数 据 , 自动 生 成 计 算 报 告 。 并   同时 , 软 件 系 统 还 可 以 把 疲 劳 计 算 结 果 写 入 I 该 —   D As后 处理集 中, 现 在 I EA E 实 - D S软件 中 动 态 观 察  疲 劳评估 结果 。   根据 AAR标 准 中给 出 的疲 劳 分 析 流 程 , 合 目 结   前 广泛采用 的有 限元 数值 分析 法 , 运用 下述 分析 流 程 ,   可 以计算 出焊接 结构 的疲 劳寿命 值 。该 系统工 作流 程 
如图 1 示 。 所  

为 了实 现子对 象 问 有较 高 的独 立性 , 耦 合 度 达  使 到 最低 , 将本 系统 划 分 成 4大 子 模 块 : 载荷 谱 管 理 模  块 ; E 数据 提取模 块 ; FA 疲劳 寿命 计算 模 块 ; 综合 计 算  模 块 。其 中 , 合计 算 模 块 由 4个 子 模 块 组 成 , : 综 即 基  于贴 片试 验 的疲 劳计 算模 块 、 于动 应 力 测试 的疲 劳  基 计算 模块 、 于 已知疲 劳设 计 寿命 的 当量应 力 反 求模  基

( )将预 测对 象 离 散 成 有 限 元模 型 , 指 定 具体  1 并

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铁 

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报 

第2 9卷 

块及 多 载荷通 道疲劳计 算模块 。  

载荷谱 管 理 模 块 包 含 了疲 劳 载 荷 谱 数 据 处 理 方  法 , 进行 疲劳 寿命 评 估 的前 提 条 件 。在 软件 系 统 设  是 计时, 该模块 提供 了 AAR标准 中全部 载 荷谱 数 据 , 采 

N 一1(   /∑  )  
式 中,  a 为某 一应力 级 占总循 环 的百 分数 。  

() 2 

已知对数 形式 的  N 曲线 的斜 率 k, 可 以预测  就
承 受超过 疲劳 极 限 S 的应力 S    的寿命 N  :  
N — N  (   s )雎 / S /     

用 这一模块 可 以快速 生 成 载荷 谱 直 方 图 , 根据 直 方 图 
能 动态观察 载荷 的分 布情 况 。 同时 , 模块 还 具 有 载  该

荷谱 维护 功能 , 载荷 谱事 件百 分率 汇 总功能 ,AAR标  准 载荷谱 向国 际焊接协 会 Iw 标 准快 速 转换 的功 能 。 1   载荷 谱数据 输 出为 Wod文档 功能及 载 荷谱 数据 引入  r
功能。  

实 际上 , S 代 替 S , 面 的方 程又 可写 为  用 …  上
N 一 N。 S /      (   s )雎 (3)  

式 中 , 为 达到疲 劳极 限 S N   的循 环 数 ; … 为 最 大应  S
力。  

F A 结果提 取 模 块 主要 负 责 疲 劳 寿 命计 算 的基  E 础数 据 组 织 。该 模 块 与 I E - AS软 件相 互 配合 , 以 D 能   人机 交互 方 式 实 现 快 速 提 取 I AS后 处 理 应 力 结  - DE 果 , 根据 AAR 标 准 自动 计 算 所 要 评 估 点 的 当 量应  并 力数 值 , 以可视 化 图形 方 式 选择 AAR 标 准 中 焊 接 接  头数 据库 , 最后实 现写 入疲劳评 估 点参数 数据 , 完成 所 
有基 础数据 组织 工作 。  

疲劳 极 限 S 可 由修 正 G o ma   o d n图的 曲线方程 得 
到 , S :S 时 , 即   =  = 有 
t 

S c一 

O  

(4 )  

式 中 , 为 G o ma m o d n曲线 的斜率 j R—S i S 为应力   /一   比 ; R 等于零 时 的疲 劳极 限 , 具体 焊接接 头 , b b为 对 其  
与 m 取 自于 AA 标准 。 R   利用 式 (2) 式 (3) 式 (4 ) 以 计 算 适 用  、 和 可

疲劳计算 模 块 是 软 件 系 统 根 据 Mie 线 性 损 伤  nr 理论 进行疲 劳寿命 评估 的核 心模块 。该 模块 可根据 所  生成 的疲劳评 估 点参 数 数据 库 , 择 设计 中铁 路 货 车  选 对应 的载荷谱 , 充必 要 的设计 参 数 , 快速计 算所 要  补 能 评估 区域 的疲 劳 损 伤值 及 设 计 寿命 汇 总 数据 。同 时 ,   该模块 还 可 以将疲 劳计 算结果 写 入 I AS后处 理 结  - DE 果集 , I E 在 - AS软 件界 面 中动态观 察疲 劳评 估 结果 , D  
并 可 自动生 成疲 劳计算 报告 。  

AAR标 准规 定 疲 劳 特 性 的循 环 数 。最 后 寿 命 L ,可 
由式 (5) 算  计
L,一 

』 9∑ a s 1   )    (_   [



~  

 

式中, 由于 AAR标 准采 用英 里 计 量 , 因此  是 每英 里  谱 总循环 数[ 。 4  ]
AAR标准 提供 的设计 方法 中, 计过程 根据 给定  设

结构 及载 荷求其 设 计 寿命 , 当设 计 寿命 不 能满 足用 户 

综合计 算模块 是 软 件 系统 的重 要补 充 模块 , 模  该
块提 供 了基 于贴 片试 验 的疲 劳 计算 方 法 , 于动 应 力  基

要求 时 , 设计人 员 只能通过 调整 参数 进行试 凑 , 寿命  使
达 到设计 要求 。疲 劳寿命 预测 系统 编写 了基 于 已知疲  劳设 计 寿命 的当量 应力 反 求 模 块 , 设计 者 采 用 这个 模  块 就可 以实现 由已知设计 寿命 反求结 构所 需 的应 力水  平 的设计 思想 , 现真正 意义 上 的寿命 设计 。 实  
由 Mie 线 性 累积损 伤 理 论 可知 , 劳 破 坏 是 由  nr 疲

测试 的疲劳 计算方 法 , 于 已知疲 劳 设计 寿命 的 当量  基
应力 反求方 法 , 以及 多 载 荷通 道 疲劳 计 算 方 法 。设 计 

人员 可 以根 据这些 方 法 进行 辅 助 的 疲 劳计 算 , 善 其  完 设计 方案 。在 已知 疲 劳 设 计 寿 命 的 当量 应 力 反 求 法  中 , 供 了等寿命 疲劳 设计方 法 , 提 根据这 一重要 设计 思  想 , 主动地 提 高产 品的设计 可靠性 。 能  
1 3 算法 原理  .

各 级损伤 累积 达到 一定 量 级 而 造 成 的 , 已知 当量应  由 力 求解疲 劳 寿命 是 AAR 标 准 提供 的计 算 流程 , 是  但

由 已知损 伤 累积量 求解设 计所 需 的当量应 力却 是非 常 
复 杂 的数 学 问题 , 而从工程 的角度看 , 后者 应该 比前者 
更 有意义 。  

AAR标准是 应用 Mies n r 线性 累积 损伤理论 进 行  疲劳 评估 。疲劳 寿命计 算公 式可 以通过 以下 推导过 程 
得出。  

抗疲 劳设 计 的反 问题 就是 在规 定 的设 计 寿命 下 反  求 结构 的设 计 应 力 。在 规定 的 设计 寿 命 L ,下 , 由式 
() 6 可求 得结 构设计 应力 

假设 当承受 的应力 大 于当前应 力 比疲劳极 限 的量  级 时 , 引起 一定 量 的损 伤 。当“ 伤增 值 ” 和 等 于  则 损 之
1时 , 即认 为 出现疲 劳破 坏 

∑  i   N 一1
力级 时将导 致损 坏 的循 环数 。   载荷 谱下 出现损 伤 的循 环数 N 可表 示为 

() 1 

一c  



  ㈩ 

式 中 , 为某种损 伤应 力级 时 的循 环数 ; 为在 该 应  N: N 

式 ( ) 立 的条件 是 A >b a 即  6成   /,



> c  

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基 于 二 次 开发 技术 及 AAR标 准 的 货 车 焊 接 结 构 疲 劳 寿 命 预 测 
a c s Con r Se v r > Lo k r e (   ces t ol r e 一 c Se v r );

式 中 , 一cf 1 A。 o ( 一m) ( … 一mF ) ( <r 1 ; + F … , 一1 ≤ )  A一  
厶 

( … 一F i ,r 一1 ; F  ) ( 一   ) ∞f 为 实 系 数 ;  

}  
c th … ) ac (  
I  

F 、   分别 为载荷 谱 中每一应 力 级 的最 大载 荷 和最  … Fi  
小 载荷 ; 为应 力循环 特性 。 r   以上 公式 为单 载荷 事 件 解 析 表 达式 , 于 多载 荷  关

A f M e s g B x ” i r — u ig x s a e o ( Fa l e d rn   u
c s Con r 1 r e  c nne ton n   e up   t o Se v r o c i  a d s t .”, OI A c e s


事件 的算 法这 里不 再详 细叙述 。  

MB


AP L P MOD   —   —C ALl   MB OK l   MB I ONS 0P ; T ) 

2 疲 劳 寿 命 预 测 系统 开 发 的关 键 技 术 
I E — AS二 次 开 发 接 口技 术 、 O A 与 Op n D C RB e  I E 互 操作技 术 、— AS有 限元 数 据 提 取 技 术 及  — AS D I DE I E 后 处理 结 果 写 入 技 术 是 该 系 统 的 关 键 技 术 。 — AS D   通过 对上 述技 术 的利 用 , 现 了该 系 统 与 I E 实 — AS软  D

e i( ) ; xt0  

2 2 C B 与 Op nI E .  OR A e — AS互 操作 技术  D 基 于 Op n I A 的 互 操 作 技 术 可 以 通 过  e  — DE S C B 规 范 中 的静 态 调 用 实 现 。在 C B 中 , OR A OR A 编  译 器产 生 的 目标 代 码 包 括 客 户端 和 I L服 务 器 端 两  D

部 分 映射 。客户 端 映 射称 为“ 根” su ) 服 务 器 端  存 (tb , 的映射 称为 “ 架 ” s e tn 。静 态 调 用 过 程分 为 客  框 (k l o ) e
户 方 的静态 调用 过程 和 对 象实 现 方 的 静态 调 用 过 程 。  

件 交互功 能 , 加 了 I AS的实 用 功能 。 增 — DE  
2 1 I AS二次 开发接 口技 术  .  - DE 掌握 I AS软 件接 口技 术 , 进 行 二 次 开发 的  — DE 是 基本 前提 。I E — AS软件起 动后 为用 户提 供 了 OR I   D BX

在客 户方 , 户为发 出请 求而调 用 su 客 tb这一 过程 称 为  静态 调用 。在 对 象 实 现 方 , 象 实 现 通 过 调 用 s e — 对 kl   e
tn完成 静态 调用 。静 态调用 过程 如 图 2所示 ] o 。  
客 户  对 象 实 现 

后端 服务程 序 , 用该 服务 程序所 提供 的 O 及 OA类  运 I 库 函数 , 用 C R A 通信 协议 , 以实现 I AS软  采 O B 可 — DE
件与用 户程 序之 间 的交 互 功能 。  

连接 I E — AS服务 程序 代码 片断 如下 : D  
ty r 
<  


f  
\7——一  <
j   …  
u lt   l . D 1

f  
I  
T  

编  译

』  
  j
  l
  I

I  

c a * my me 一 ( h r h r Na c a *) Af Ge Ap Na ( ; x t p me ) 
i e s e ve — OI Co n c ( ,& m y me ; d aS r r n et1 Na ) 


If S u  


请 _lkol适器I 求 \ Se   配    enl l  t
—i  

i f(CORB : i n l(i e s e v r) ) A :s i d aS re  


I  

图 2 静 态 调 用 过 程 

Af M e s g B x ( ” Er o : I e s e v r Ex — x sa e o rr d aS re ! i  

t g! ” i ! ,MB—AP M ODAL l n PL   MB—OK  MB—     l  
I CONS TOP)   : e i( ) ; xt0  

23 I E .   — AS有 限元 数据 提取技 术  D

该 疲劳 寿命 预测 软 件 系统 开 发 过程 中 , 要 提 取  需 I AS软件 中 的有 限 元 应 力 计 算 结 果 , 项 技 术是  - DE 这

}   }  
c th … ) ac (  
I  

软件 开发 过程 中遇 到 的难 点之 一 。铁路 货车车 体结 构 
复杂 , 即使 采用 1 4结构 进行 单元划 分 , 限元 模 型中  / 有
至少 有上 万个 节 点 , 果 是 采 用 S e 单 元 进行 结 构  如 hl l 离散 , 每个 节 点对 应 的应 力 数 据 T p面 和 B to 面  o otm

Af M e s g B x ” i r   u i g OIs r e   o n c  x s a e o ( Fa l e d r     e v r c n e — u n
to   nd s t .”, B i n a   e up M
— —

各 有 6个应 力 张量值 , 因此 , 软件不 仅要 在大 量 的有  该
限元 结果 中提取 所需 数 据 , 要 解 决 提取 数 据 所 涉及  还

AP L O ALlMB O   MB P M D     — K l    

I CONS TOP)   ;

的步 骤繁琐 、 程复杂 的难题 , 编 同时还 要根 据应力 张量  值 求解 一元 三次 方程组 , 计算 出最 大及 最小 主应 力值 。   为 解 决 上 述 难 点 , 者 通 过 编 制 用 户 程 序 访 问  笔
I AS - DE 软件 中 Smuain模块 , 到指定 的有 限元 计  i lt o 得

e i( ) : xt 0  

}  
t y  r

算 结果集 ; 置过 滤器 对结果 数据 进行 过滤 ; 设 在过 滤器 
c s Co r Se ve O I A c e s nto1 r r
— —

var  

中只放 入节 点数据 请求 , 使节 点选 择 生效 , 到所 选节  得
点 结果数 组 ; 后 通 过 访 问 结 构 数 据 , 取应 力 张 量  最 提
值。  

a c s Con r 1 r e = i e s r e - ces t o Se v r d a Se v r> G e A c e s  t cs—

C n r l e v r )  o toS r e ( ;

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报 

第 2 9卷 

24 I E .  — AS后 处 理 结 果 的 写 入  D

在软件 开发过 程 中, 了方 便 设计 人 员 观 察 疲 劳  为 寿命计 算 的结 果 , 要将 计 算 的 疲 劳寿 命 数据 写 入 I 需 —  
D AS后 处理结 果集 中 , E 由于 后 处理 数 据 中节 点数 据 

的存储 是前 后关联 的 , 果集 数据头 格式有 严格 要求 , 结   任何错 误 的操作都 可能 导致用 户程 序 或 I E - AS系统  D
的崩 溃 。  

访 问 ID A - E S软件 中 Smuain模 块 , 到结 果  i lt o 得
集数 据头 h a e 结 构 引用 ; ed r 写入 数 据 头 内容 包 括 : 结  果名 称 、 果描述 、 限元 数据 寻址 方式 、 结 有 分析类 型 、 数  据类 型及描 述行 内 容 。通 过 运 行 成员 函数 , 向后 处理  集 中写入全 部节点 疲劳 寿命数 据 。   写入疲 劳寿 命 结 果 数据 后 , 以在 I E 可 - AS软件  D
试验名称 l l i元列车9  t 0 7  图 3 重车 22 0k  5 N拉伸最大主应力云图 

当中 , 生成 疲劳 寿命数据 云 图 , 用户 可动态 观察 疲劳 寿  命计 算结果 , 增强 了 系统 的可 视性 。  
试 验 日期   l8 ——  9211

3 实 例   
为满 足铁路重 载 运煤 货 车 的设 计 要 求 , 了解 该 车  车体关 键 部位 的抗疲 劳性 能 , 以基 于 AAR标 准疲 劳  寿命 预测 系统软件 为 工具 , 该 车 体 疲 劳 寿命 进 行 了  对
研究 。  

试验类型:  国各地的单元列车运输  l
最高速度 :   —— ——  /  h

平速 匣二二  均 度 二 二二

/ h  
{  

记里  霎 录程  
总,j 蜃 次数 :  
~ 一   … … + ~

3 1 车体 有 限元 计算  . 有 限元 的正确 分析 是进 行疲 劳分析 的前提 。运煤  货 车是一 种典型 的薄壳结 构 , 因此 , 在建立 有 限元模 型  时 , 用薄壳 单元 ( hns e1进行 结构 离散 。考 虑 到  选 T i—h l ) 载荷 及结 构 的对称 性 , 算 时 取整 车 四分 之一 模 型 为  计 计 算 对 象 , 两 个 对 称 面 上 分 别 施 加 相应 的位 移 约  在
束    引。

} 循环(c } 平均 c/   y  )

— —一 l ——  
图 4 载荷谱数据 

3 3 设计 寿命  .

本次 疲 劳计 算 按 总 寿命 里 程 5 0万 k 设 计 , 0 m 年  运行 里程 2 O万 k 设 计 寿命 2 年 , m, 5 空重 车 里 程 比为 
1: 。空 重车 寿命里 程均 为 2 0万 k   1 5 m。

有 限元分析模 型 的单元 采用 自由网格与 映射 网格  相结 合 的方式生 成 , 样得 到 的有 限元 网格 比较规则 , 这   不 易产生 奇异单 元 。车体 的有 限元 模 型的整 体单元 长 
度 为 8  0mm, 部 进 行 细化 , 元 长度 为 3  局 单 0mm。 四  分 之一模 型 的有 限元模 型共 生成 节点 2  6 55 5个 , 元  单
2  6 63 2个 。  

3 4 基 于有 限元法 疲劳 寿命计 算  . 根据 以上 数据 , 在有 限元计 算基 础上 , 运用该 疲 劳 
寿命 分析 软件 进行 了疲 劳寿命 预测 , 预测结 果见 图 5  。

疲 劳评估 选 用 当量 应 力为 22 0k 重 车拉 伸 工    5  N

况 下 的计 算结果 , 限元计 算结果 见 图 3  有 。 图中最大 主应力 值 为 1 6MP , 生 在 枕梁 下 盖  6  a 发
板 与 中梁 交界处 。  

3 2 线路 载荷谱  . 选用 AAR标 准 中相 近 的 9 .   高边 敞车 载荷 谱  O 7t 进 行计算 。经过 初 步计 算 比较 , 对设 计 中 的牵 、 、 枕 缓  部 位而言 , 车钩 力是 引 起疲 劳破 坏 的 主要 原 因 , 因此 ,   本 次动应 力 计 算采 用 的 线 路 轨 道谱 单 元 列 车 9 .    O 7t 高边 敞车 满载 车钩 载荷 线路 事件 百分 率谱 。载荷谱 的 
部分 数据 显示 如下 ( 4 : 图 ) 
图 5 重车疲劳寿命图 

图 中疲 劳寿命 最短 的部 位在 枕梁下 盖板 与 中梁 交 

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第 3期 

基 于 二 次 开 发 技 术 及 AAR标 准 的货 车 焊 接 结 构 疲 劳 寿命 预测 

界处 , 具体 寿命值 见 表 1  。
表 1 基 于 有 限 元 法 疲 劳 寿 命 计 算 的 结 果   
部 位  下 侧 梁 车 体 中 央 处  斜 撑 与 连 接 板 处  枕梁 下 盖 板 与 中粱 连 接 枕 外 区  枕梁 下 盖板 与 中梁 连 接 枕 内 区  疲 劳 寿命 / 年 
无 限  无 限 
3 3 1 0E+ 0 1 . 5 8 0 

因此 建议 提 高该处 焊接 质量 。该 建议被 采纳 实施并 获 
得很 好 效果 。  

4 结 论   
针 对铁 路 货 车 可 靠 性 设 计 要 求 , 文 利 用 C   本 O— B AR与 Op n I E e  - AS的互 操 作 等 二 次 开发 技 术 , D 将  AAR标 准 中有 关铁 路货 车抗疲 劳设 计 的各类 载荷 谱 、   各类 焊 接接 头  N 曲线 数 据 以及 基 于 寿命 要 求 的反  求算 法 等 以模 块 化 的形 式 嵌 套 到 I AS之 中 , 而  - DE 从

无 限  无 限 

浴 盆板 中部 与 下 侧 梁 连 接 区 

3 5 基 于 已知疲 劳设 计 寿命 的当量 应力 反求  .

实 现 了货 车焊 接结 构 的有 限元 计算 与疲 劳 寿命 预测 的 


根据 系统 中反求 算法 , 在满 足 2 5年设 计 寿命 的要 
求下 , 应力 水平 反求后 结果 如 图 6 示 。 所  

体 化集 成 。应用 实 例证 明 , 系统 完 全 可 以用 于 在  该

疲 劳寿命 要求 下 的设计 方案 快速 对 比。  
参考文献 :  

[ ]徐 灏 .疲 劳 强 度 [ . 京 : 等 教 育 出 版 社 ,98 1 M] 北 高 18.   [ ]刘 德 刚 , 凤 洲 , . 外 疲 劳 研 究 及 应 用 领 域 的 新 发 展  2 王 等 国 [] 铁 道车 辆 ,0 1 3 () 1—2 J. 2 0 ,9 9 :01 .  
LI   - n W A N G  ng z U De ga g, Fe —hou,e  1 N e De e o m e   t a. w  v l p nt

o  aiu  eerh a d Ap lai   id Abod[ ] fF t e R sac  n  pi t n Fe   ra J . g c o l  
Ro l g S o k l n   t c .,2 0 , 9 9 1 — 2  i 0 1 3 ( ): 0 1 .

[ ]霍 立 兴 . 接 结 构 的 断 裂 行 为 及 评 定 I . 京 : 械 工 业  3 焊 - M] 北 机
出版 社 , 0 0 20 .  

[ ]美 国铁 路 研 究 协 会 . AR 机 务 标 准 手 册 : 车 设 计 规 范  4 A 货 E] s .青 岛 : 四方 车 辆 研 究 所 译 ,9 9 19.  

[]侯 澍 曼 , 友 荣 . 构 疲 劳 寿命 分 析 软 件 的 开 发及 应用 口] 5 李 结 .  
机 械 研 究 及 应 用 ,0 3 1 ( )7 —6 2 0 ,6 2 :57 .  
H 0 U  Shu r i LIY o — on — n。   u r g. De eop e   n   p ia in a v l m nta d a plc to  

图 6 反 求 结 果 

o  esrcue f iu i  rdci  ot r [ ] Me f h  tutr a g ele pei o sf t   t f tn wae J . —  
c a ia  s a c   n   p ia i n 0 3, 6 2 : 5 7 . h nc l Re e r h a d Ap l t ,2 0 1 ( ) 7 — 6 c o  

对 于不存 在焊 缝 的 轧制 板 材 , 要 当 量应 力 小 于  只 2 6 6 8MP 就 能满 足设计 寿命 的要 求  。 8 . 1  a   通过 综合分 析 , 为该 煤 车车 体 整体 具 有 较 好 的  认
抗疲 劳强 度 , 是枕 梁 下 盖板 与 中梁 连接 的枕 内 区域  但

[]严 隽 耄 . 辆 工 程 I . 京 : 国铁 道 出版 社 ,9 9 6 车 - M] 北 中 19.   [ ]李 向伟 , 国 海 , 素 明. 口澳 大 利 亚煤 车 车体 F A 与试  7 范 谢 出 E 验 对 比报 告 [ ] R .齐 齐 哈尔 : 齐 哈 尔 铁 路 车 辆 ( 团) 限  齐 集 有 责 任 公 司 ,0 6 20 .  

为搭 接接 头 , 是该 处疲 劳寿命 相对 较短 的主 要原 因 , 这  

( 责任 编辑



芳)  


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