基于数字散斑的轮轨垂向载荷识别方法研究

快捷有效地进行轮轨垂向载荷检测对保障轨道车辆的服役可靠性与运行安全具有重要意义。现有轮轨载荷检测方法尽管能实现轮轨垂向载荷的有效检测,但其测量精度受传感器布设方案、系统标定的限制,仅能实现定点检测。因此,引入数字散斑图像相关技术,为轮轨垂向载荷的快速、非定点检测提供新的技术方案。为了实现钢轨轨侧应力场的非接触、快速测量,通过左右相机同步采集垂向载荷作用下的钢轨散斑图像序列,并通过图像相关理论模型进行变形前后子区像素点的匹配和应力场计算。为了利用数字散斑检测获得的钢轨轨侧应力分布进行轮轨垂向载荷的识别,提出一种基于极限学习机(ELM)的轮轨垂向载荷识别方法。该方法采用Workbench有限元软件建立钢轨的数值模型,通过数值模拟结果选取应力变化相对敏感的区域作为轮轨垂向载荷检测的兴趣域,基于应力场数据集和对应的载荷数据集设计ELM网络参数,进而实现轮轨垂向载荷的自动识别。为了验证提出的轮轨垂向载荷识别模型的有效性,搭建基于XT-DIC的轮轨垂向载荷数字散斑检测实验平台。实验结果表明,用Y和Z方向模应力输入的方式构建的ELM模型有着最佳的识别性能,其垂向载荷预测误差仅有5.357%。研究结果为轮轨垂向载荷的非定点快速检测提供了新的可靠途径。

基于ABAQUS/FRANC3D的钢轨三维表面裂纹的扩展分析

为分析钢轨三维表面裂纹在轮轨载荷作用下的疲劳扩展路径和应力强度因子的变化,研究钢轨剥离掉块的损伤机理。运用Fortran语言编写用户子程序DLOAD和UTRACLOAD施加轮轨接触应力,利用有限元软件ABAQUS和FRANC3D模拟车轮在钢轨上的移动并分析钢轨三维表面裂纹的应力强度因子随车轮移动的变化情况,并基于PARIS公式和最大周向应力准则对钢轨三维表面裂纹的疲劳扩展行为进行分析。结果表明轮轨载荷仅为赫兹接触压力时,车轮在钢轨表面滚过,裂纹前缘距钢轨表面越深,越易发生扩展,裂纹主要在钢轨的深度方向扩展,可使半圆形裂纹变成长轴在深度方向的椭圆形裂纹;轮轨载荷为赫兹接触压力和滑动摩擦力共同作用时,随着车轮循环次数的增加,表面裂纹的等效应力强度因子Keq不断增大。车轮作用会使距钢轨表面越近的裂纹前缘越易发生扩展,裂纹主要向钢轨的宽度方向扩展,使半圆形裂纹变成形状较为复杂的长轴在钢轨宽度方向的近椭圆形裂纹。

UHPC提升钢桥面板纵肋-横隔板连接疲劳性能研究

文章采用有限元方法分析了钢桥面板纵肋-横隔板连接四个典型构造细节在有无UHPC铺装情况下的轮载应力响应,并对比UHPC铺装层对其疲劳性能的提升效果。研究结果表明,在无刚性铺装情况下,构造细节H、HD、LS和LZ的最不利应力分别为-82.1 MPa、28.3 MPa、43.3 MPa和-42.9 MPa;在采用50 mm厚UHPC铺装后,构造细节H、HD、LS和LZ的最不利应力分别下降为-45.6 MPa、13.0 MPa、14.7 MPa和-12.0 MPa;UHPC铺装层对钢桥面板纵肋-横隔板连接各构造细节的疲劳性能提升明显,其中构造细节LZ的疲劳寿命提升高达45.4倍。

高速铁路钢轨上拱不平顺对波磨萌生的影响研究

高速铁路钢轨波磨是近年来致力于解决的一种极其复杂的轮轨关系问题。武广高铁胡家湾大桥存在钢轨上拱不平顺并伴随钢轨波磨病害,有必要通过理论与实践研究寻找钢轨上拱和波磨相伴相生的证据并诠释其机理。首先建立涵盖钢轨上拱-大幅值轮载-轮轨接触力统一数力学模型,采用能量法、轮轨接触理论和安定极限法进行解析计算,研究钢轨上拱矢度、列车参数和轨道参数的影响规律。然后阐释钢轨上拱、轮载与轮轨接触力之间的相互作用对理解钢轨波磨的萌生机理和减磨措施以及提出车轮多边形发生机理猜想所具有的启示意义,最后简要总结钢轨上拱引发波磨需要进一步研究的前沿问题。计算结果表明:钢轨上拱矢度对轮轨接触力影响显著,如以CRH2型动车组和弹性支撑块式无砟轨道组合为例,当钢轨上拱0.2 cm时,动轮载为21.45 t,相较平顺时增大3.1倍,切向力为15.86 kN,增大2.1倍,法向应力为1 131.6 MPa,增大1.5倍,超出安定极限值20.1%;轮轨接触力随着静轮重、簧下质量和轨道垂向刚度的增加而增大,随着轨道阻尼的增大而减小。研究发现,钢轨上拱激励轮轨系统高频共振导致了钢轨波磨的萌生与发展。防止或抑制此类型波磨的主要措施有:控制钢轨上拱不平顺、防止轮轨系统共振、减小轮载变化幅值、提高钢轨材质强度与耐磨性能以及采取预防性和修复性打磨等。

轮载作用下正交异性钢桥面板构造细节受力特征及机理研究

为明确正交异性钢桥面板(OSD)构造细节的轮载局部应力效应及受力特征,开展了横桥向3个典型工况的货车加载试验和有限元分析,记录了货车低速通行下OSD构造细节的应力时程,研究了构造细节轮载应力行为和机理。研究表明:OSD构造细节轮载局部应力效应显著,构造细节的明显加载效应局限在横桥向轮载中心两侧各1倍纵肋中心距范围,表明OSD疲劳研究无须考虑货车左右轮或相邻车道货车并行的叠加效应。在显著局部应力范围内,货车每个车轴在纵肋-面板(RD)构造细节产生一个应力循环;跨肋式是RD、纵肋-横隔板(RF)焊缝和弧形切口(Cutout)构造细节横桥向最不利轮载位置。轮载作用下沿横桥向,RD面板侧以面板受纵肋腹板支承的连续梁受力为机理,纵肋侧以RD两侧面板和纵肋的弯矩平衡受力为机理;纵肋-横隔板纵肋侧(RF-R)构造细节以横隔板支承的连续梁支点负弯矩受力为机理;纵肋-横隔板横隔板侧(RF-F)构造细节以位于横隔板腹板上方受压为机理;弧形切口细节以空腹桁架竖杆受压为机理。明确的轮载应力局部范围和机理,能简化OSD结构疲劳有限元分析,有助于改善OSD结构抗疲劳设计。

钢桥面板U肋-盖板构造细节(子系统1)疲劳受力行为研究

正交异性钢桥面板受力行为复杂,基于子系统可以更加有效地分析钢桥面板的疲劳受力行为,以钢桥面板子系统1为研究对象,分析轮载作用面积和轮载作用位置对子系统1疲劳受力行为的影响,在此基础上分析了盖板厚度和U肋厚度对U肋-盖板构造细节处3个弯矩的影响。同时基于等效结构应力法,对子系统1的主导疲劳开裂模式进行研究。研究结果表明:轮载作用面积为600 mm×200 mm且轮载作用在U肋间时,子系统1中U肋-盖板构造细节的受力最不利;子系统1以U肋外侧弯矩Mr大于U肋内侧弯矩Ml的情况为主;子系统1焊根开裂模式的主导疲劳开裂模式均为开裂模式Ⅱ,增大盖板厚度能有效降低焊缝焊根开裂的风险;焊趾开裂模式的主导疲劳开裂模式与盖板和U肋厚度有关,增大盖板厚度能减小开裂模式Ⅰ发生的概率,增大U肋厚度能减小开裂模式Ⅲ发生的概率;在焊根和焊趾的主S-N曲线相同的情况下,子系统1的主导开裂模式为焊趾开裂模式。

轨道交通弹性车轮轮箍承载特性研究

针对轮箍在运用过程中的疲劳失效问题,结合弹性车轮结构特点和承载原理,对轮箍的承载特性及相关影响因素进行系统研究,以提高轮箍的承载强度和弹性车轮运用安全性。为了精确分析弹性车轮轮箍在弹性支撑下的应力特性,基于有限元理论,建立了考虑橡胶块弹性离散支撑的轮箍承载特性参数化计算模型,对不同车轮刚度、轮箍厚度和车轮直径等结构参数下的轮箍应力状态分布、动态变形量、应力幅值等进行了研究。研究结果表明,在车轮运行过程中,轮箍内表面和外表面应力分布均呈“W”形变化趋势,其中内表面以拉应力为主,外表面以压应力为主;随着轮箍厚度、车轮刚度的增大,轮箍承载性能和安全性得到改善;但随着车轮直径的增大,轮箍的承载强度呈降低趋势,因此对于直径较大的弹性车轮应当适当增大车轮刚度及轮箍厚度,以确保轮箍的安全性能。文章的研究方法和结果为弹性车轮结构及性能优化提供了可靠的设计依据,为提高弹性车轮的运用安全可靠性提供了极强的指导作用和参考价值。

化肥催化装置转子轮盘疲劳寿命预测算法的设计与仿真

转子轮盘运行中,受轮盘外载荷强度的影响,导致寿命缩短,同时化肥催化装置催化物质和运行中的循环变幅应力也会对化肥催化装置使用寿命产生影响。为了避免装置意外失效,以化肥催化装置结构为基础,获取与转子轮盘疲劳相关的循环变幅应力、轮盘外载荷强度两项参数。通过将两项参数输入疲劳寿命预测模型,实现化肥催化装置转子轮盘疲劳寿命预测算法设计与仿真研究。实验结果表明,所提方法可准确预测转子轮盘疲劳寿命,且准确度较高,避免装置意外失效。

车辆轮迹线位置对钢桥面板疲劳应力幅的影响

以虎门大桥为研究对象,对车辆轮迹线的横向位置进行了调查和分析,得到了车辆轮迹线的横向位置分布,并给出了相应正态概率分布的设计参数;采用三维板壳有限元模型分析了车辆轮迹线横向位置分布对正交异性钢桥面板典型构造细节疲劳应力幅的影响,并与欧洲规范和荷兰规范NEN 6788进行了比较。结果表明:采用虎门大桥车辆轮迹线横向位置分布模型计算出的等效应力幅相对较小。

东风水电站地下厂房岩壁吊车梁的二维分析及其检验

简要介绍了东风水电站地下厂房岩壁吊车梁结构的设计和实践，用有限元对岩壁吊车梁结构进行了较确切的二维分析，并和现场试验结果进行了对比，二者基本一致。结果表明吊车梁的主要承载构件受力很小，结构完全可靠。最后分析了吊车梁主要承载构件（斜拉锚杆）受力不大的力学原因。

连续配筋水泥混凝土路面荷载应力分析

本文采用空间有限元方法对连续配筋水泥混凝土路面荷载应力作了分析，建立了裂缝弹簧模型并提出考虑裂缝处传递水平力的局部迭代法。通过计算，确定了车辆荷载作用下的临界荷位、钢筋受力的最不利荷位以及最佳裂缝间距的下限值，分析了横向裂缝间距。

多轮组车辆荷载下公路地基的附加动应力

基于移动集中点荷载作用下的地基附加动应力的理论解,采用数值积分方法计算了移动圆形均布荷载下地基的附加动应力。将交通荷载简化为移动的均布圆形荷载,对比分析了荷载作用半径、荷载移动速度对地基附加动应力的影响规律。分析结果表明:浅层地基和深层地基中的附加动应力分布规律有所差异;荷载移动速度对地基中各应力分量的影响规律与地基深度密切相关;地基中的附加应力分布曲线具有良好的归一化规律。在单个轮轴荷载计算方法的基础上,采用叠加法对多轮组车辆荷载作用下的地基附加动应力进行了研究。计算结果表明:应力的叠加效应和荷载移动速度效应对深层地基的影响较浅层地基更为显著;多轮组车辆荷载作用下,应力路径形式变得更为复杂。

重载列车车辆轮轨作用研究

通过对不同轴重、不同踏面外形和不同钢轨的轮轨接触最大应力的计算,得出轮轨接触应力随轴重、踏面和钢轨的变化情况。分析比较理论计算和试验结果,验证理论研究方法的正确性。研究表明:轮轨接触应力随着轴重的提高而增加;在运用初期轮轨磨耗量随运行里程增加急剧上升;随着轮轨间的进一步磨合,轮轨接触应力和磨耗量将稳定在一定水平;轴重从21 t提高到23 t,轮轨磨耗量增加80%左右;轴重从21 t提高到25 t,轮轨磨耗量增加150%左右;提高钢轨的重量等级,可以在增加车辆轴重的同时有效地降低轮轨接触应力及减少轮轨磨耗。

移动交通荷载下公路软土地基的沉降计算

交通荷载是一种移动的重复作用荷载,在地基中产生的附加动应力的路径和大小与移动速度密切相关,目前的简化算法中忽略了移动速度的影响。通过数值积分算法得到了交通荷载在地基中引起的附加动应力,探讨了移动荷载下地基中应力路径特点及其与荷载移动速度的关系,提出在拟静力计算的地基附加应力结果上乘以荷载速度效应的放大系数的简化近似方法,给出了便于工程应用的放大系数的实用图表。根据移动荷载在地基中产生的附加动应力路径的特点,提出了一个适用于循环心形应力路径的饱和软土残余变形的经验模型,通过对已有试验成果的模拟,初步验证了所提模型的有效性。在此基础上,建议了一种考虑荷载移动速度影响的路基沉降实用算法。以Saga机场高速公路的沉降计算为例,初步探讨了不同车速比下的公路沉降发展的特点和规律。

高速车辆运行过程中轮轨接触点的测试研究

轮轨接触点对深化分析轮对运行动态行为、安全性、轮轨接触状态及作用力等起着关键的作用。基于传统车轮辐板应力测量车轮垂向力与横向力方法,考虑车轮磨耗影响,提出一种提高识别轮轨接触点准确度的改进测试方法。通过FEM程序ANSYS软件分析沿车轮踏面不同位置分别作用垂向、横向和纵向力时,车轮辐板表面的应力分布状态。由计算结果可知,沿辐板孔横向表面的径向应力分布随作用载荷位置(接触点)呈现特定的变化规律,为测试轮轨接触点位置提供了可行性。研究表明,在车轮辐板特定区域存在着对横向力和纵向力不敏感的应力区域,可消除由横向力和纵向力引起的干扰影响。根据计算和试验结果,找出车轮上应变片识别精度最佳的布置位置、方向和测试组桥方式,针对在线测试,完善测量桥路的可靠性和抗干扰性,使测试精度更高,接触点位置的确定更准确。分析因车轮踏面磨耗与镟修导致对车轮辐板表面应力分布产生影响的问题,推导出测试修正矩阵,扩展测量识别接触点的适用范围。完成测试轮对的研制,进行线路测试,获取了多种运行条件下接触点的测试结果。

车轮荷载下钢箱梁疲劳构造细节应力等级评定

针对车轮荷载作用下钢箱梁的疲劳构造细节等级评定问题,基于应力影响线,研究钢箱梁9种疲劳构造细节的局部疲劳应力。根据等效损伤原理对最大应力幅进行修正,并以此为依据划分钢箱梁疲劳构造细节。结果表明:车轮荷载对钢箱梁9种疲劳构造细节的应力影响范围均较小,横隔板与顶板、纵肋相交处的应力影响范围为横隔板间距;顶板与纵肋相交处、纵肋对接处以及顶板对接处,应力影响范围为横隔板间距的1/2。钢箱梁横隔板与纵肋相交处的修正等效应力幅最大,纵肋对接处的修正等效应力幅最小。考虑受力和施工质量,钢箱梁疲劳构造细节可划分为5个疲劳应力等级,并给出9种疲劳构造细节对应的等级。

基于ANSYS星轮装载机构的动力学研究

针对星轮装载机构在工作过程中存在受力不恒定的问题,对星轮机构进行动力学分析,确定了煤岩对星轮的激振力,并以直斜形星轮为例,利用Ansys软件对星轮进行模态分析和谐响应分析,得出了星轮机构在动载荷作用下的振型、应力及应变情况,分析指出了星轮受载荷最大处的位置,为研究改进星轮的设计和改善星轮的性能提供理论依据。

四轮并列式起落架焊接主起轮轴受载模型及分析

针对大飞机上常用的四轮并列式起落架,给出了飞机在着陆准稳态阶段,其起落架焊接主起轮轴的受载数学模型。以伊尔-76飞机为研究对象,采用有限元分析软件ANSYS,模拟了其机轮着陆过程中焊接主起轮轴受力状况。结果表明,主起轮轴上两道焊缝处应力最大,断裂几率最高,最先着陆机轮的轴颈处由于受到循环载荷作用,易发生疲劳断裂。

30t轴重货车车轮热应力分析

热损伤是重载货车车轮失效的主要原因之一。分析了30t轴重货车不同轮径的车轮在紧急制动工况下的温度场和热应力场,通过分析比较,得出30t轴重货车车轮直径的建议值。

机车轮对装配应力的数值分析

提出了一套模拟车轮装配全过程的数值分析程序，分析轮对配合面内的接触应力分布。在轴对称模型基础上，模拟分析了整体直辐板车轮与车轴之间的过盈配合接触现象，详细讨论了过盈配合公差和加工精度对配合面内的接触应力分布和摩擦滑动的影响；在三维模型基础上，模拟分析了轮心－轮箍型斜辐板车轮与车轴的两个过盈配合面内的接触压应力分布，研究了不同过盈配合量、轮箍厚度和垂向外载荷对接触压应力分布的影响。