文档介绍：2013 第十届世界轨道交通发展研究会年会
2013 第十五届中国香港铁道学会年会

随机载荷下动车组车轮多轴疲劳寿命仿真
石启龙崔巍许晴刘斌
摘要:利用多体动力学仿真和有限元法结合的方法,在时域内对随机载荷下的动车组车轮的疲劳
寿命进行仿真研究。基于多轴疲劳理论,考虑了材料的非比例强化的影响,分析了裂纹形式,选
用临界面法的 Bannantine 模型和 Wang-Brown 模型。结合有限元名义应力法、动载荷时间历程和
线性损伤累积法则,利用 ANSYS/WORKBENCH 得出车轮的疲劳寿命预测图,从计算结果可以看出,
动车组车轮的最危险点安全系数为 ,满足疲劳寿命要求。
1 前言
目前,高速动车组的开行使我国跻身世界高速铁路行列[1],车轮是保证高速动车组安全运行
的关键走行部部件。在动车组高速化发展的同时,车轮疲劳寿命方面的问题表现的越来越突出,
要确保列车的行车安全,就必须对车轮的可靠性和疲劳寿命提出更高的要求,展开对动车组车轮
疲劳强度的研究是非常必要的。
美国 AAR 标准 S-660-83《机车和货车车轮设计分析评定办法》[2]规定了计算载荷和工况,
采用了安全系数比较的评定办法。日本在行业标准[3]中对整体车轮给出了材质、表面缺陷及机械
试验方法的要求,但对于车轮强度的计算未做具体要求。国内对车轮的研究较少,没有相关的标
准和规程。米彩盈等[4]基于国际铁路联盟相关标准,确定了国产中华之星动力车车轮强度分析的
计算载荷工况,[5]根据疲劳寿命预测理论,采
用线性累积损伤法则和 Monte-Carlo [6]基于
UIC510-3 规程和热负荷试验,采用有限元方法数值模拟了运行状态下车轮的应力变化规律,进行
了车轮疲劳强度评定。
2 多轴疲劳理论及模型
单轴疲劳是指材料或零件在单轴循环载荷作用下产生的失效现象,这时材料或零件只承受单
向正应力(应变)或单向切应力(应变),如只承受单向拉一压循环应力、弯曲循环应力或扭转循环应
,
环加载条件下,加载过程中有 2 个或 3 个应力(应变)(应变)分量
的变化可以是同相位、按比例的,也可以是非同相、非比例的[7]。
多轴疲劳损伤模型一般可分为 3 类[8]:第 1 类是基于等效应力(应变)的方法,其基本上同静
强度理论的“等效”描述相类似,将多轴应力应变效果用相当的单轴应力应变来描述,这样就出
现了等效应力、等效应变的概念,其中应用最广的是 von Mises 准则与 Tresca 准则;第 2 类是基
于能量的方法,其认为塑性功的累积是产生材料不可逆损伤进而导致疲劳破坏的主要原因;第 3
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类是基于临界面法的损伤模型,其认为疲劳损伤(裂纹)本质上是有方向的,因此认为损伤累积是在
特定平面上。这与发生在不同平面上的认为等效应力(应变)方法形成对比。
目前多数的做法采用临界面法损伤模型,该法要求确定破坏面及其应力应变,因而具一定的
物理意义。
Brown 和 Miller 认