地铁车辆焊接构架抗疲劳设计谱编制方法
Compilation method of anti-fatigue design spectrum for welded frame of subway vehicle
- 机械强度 2025年47卷第10期 页码：114-123
- 作者机构：
1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111
2.兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070
- 作者简介：
XUE Hai, E-mail: xuehai354@163.com
- 基金信息：甘肃省教育厅高校教师创新基金项目(2023A-043);甘肃省自然科学基金项目(23JRRA909)
DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.10.013
中图分类号：收稿：2023-11-04，
修回：2024-01-25，
纸质出版：2025-10-15
- 稿件说明：
移动端阅览
薛海，田爱琴，马龙，等. 地铁车辆焊接构架抗疲劳设计谱编制方法［J］.机械强度，2025，47（10）：114-123.
XUE Hai，TIAN Aiqin，MA Long，et al.Compilation method of anti-fatigue design spectrum for welded frame of subway vehicle［J］.Journal of Mechanical Strength，2025，47（10）：114-123.
薛海，田爱琴，马龙，等. 地铁车辆焊接构架抗疲劳设计谱编制方法［J］.机械强度，2025，47（10）：114-123. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.10.013.
XUE Hai，TIAN Aiqin，MA Long，et al.Compilation method of anti-fatigue design spectrum for welded frame of subway vehicle［J］.Journal of Mechanical Strength，2025，47（10）：114-123. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.10.013.
摘要
针对设计标准规定的设计载荷不能真实反映地铁车辆焊接构架实际服役条件，以及大量随车实测数据信息在构架结构设计方面挖掘不充分的问题，基于线路实测的地铁车辆构架薄弱位置处的应力-时间历程样本信息，提出一种抗疲劳设计谱编制方法。首先，采用雨流计数法编制反映构架损伤的实测应力谱，根据疲劳损伤理论确定应力-次数-损伤关系；然后，采用贝叶斯参数估计与核密度估计得到应力外推结果，以有序样本聚类确定小应力门槛值；最后，考虑焊接部位截面突变引起的应力集中，采用热点应力法和应力线性化方法得到应力集中系数，对实测应力谱进行修正，实现设计谱的编制。研究结果表明，根据应力极值外推和归一化的应力-次数-损伤关系分析，确定小应力门槛值为3.18 MPa，相比于由传统方法确定的应力门槛值结果偏大8.19%，小应力循环次数舍弃效果显著；在确保构架满足现役条件的情况下，考虑载荷分散性和焊缝处应力集中系数，确定了设计里程与等效应力的关系，进一步说明设计谱编制的必要性。研究结果为实现构架设计载荷谱编制方法构建和结构等强度设计奠定基础。
Abstract
In view of the problem that the formulary design load based on the design standard can't truly reflect the actual service conditions of the welded frames of subway vehicles
and a large number of online measured data information has not been fully explored in the structural design of the frame
an anti-fatigue design spectrum compilation method based on the stress-time history sample information measured at the weak position of the subway vehicle frame was proposed.The small stress threshold value was determined by clustering ordered samples using the rain-flow counting method to compile measured stress spectrum reflecting structural damage
determining the stress-frequency-damage relation based on the fatigue damage theory
and using the methods of Bayesian parameter estimation and kernel density estimation to obtain stress extrapolation results. Considering the stress concentration caused by structural geometry changes in the cross-section of the welding site
the hot spot stress method and stress linearization method were used to obtain the stress concentration coefficient
and the measured stress spectrum was corrected to achieve the compilation of the design load spectrum. The research results show that the small stress threshold value is 3.18 MPa determined by extrapolation of stress extremes and the relation analysis between normalized stress-frequency-damage
which is 8.19% higher than the stress threshold value determined by traditional methods
the effect of discarding the number of small stress cycles is significant. Considering the load dispersion and stress concentration factor at the weld seam
while ensuring that the structure meets the current service conditions
the relation between the design mileage and equivalent stress is determined
the necessity of compiling the design spectrum is emphasized further. The above research builds the construction method of load spectrum compilation and the equal strength design of structures.
关键词
Keywords
references
XIU R X ， SPIRYAGIN M ， WU Q ， et al . Fatigue life assessment methods for railway vehicle bogie frames ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2020 ， 116 ： 104725 .
李凡松 ， 邬平波 ， 曾京 ， 等 . 构架三种常用疲劳强度校核方法对比研究 ［J］. 机械工程学报 ， 2014 ， 50 （ 14 ）： 170 - 176 .
LI Fansong ， WU Pingbo ， ZENG Jing ， et al . Study on the differences between the three common fatigue strength analysis methods for bogie frame ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2014 ， 50 （ 14 ）： 170 - 176 . （In Chinese）
孙晶晶 ， 孙守光 ， 李强 ， 等 . 转向架构架试验载荷谱编制方法 ［J］. 铁道学报 ， 2021 ， 43 （ 6 ）： 29 - 36 .
SUN Jingjing ， SUN Shouguang ， LI Qiang ， et al . Compilation method of test load spectrum for bogie frame ［J］. Journal of the China Railway Society ， 2021 ， 43 （ 6 ）： 29 - 36 . （In Chinese）
XIONG J J ， SHENOI R A . A load history generation approach for full-scale accelerated fatigue tests ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2008 ， 75 （ 10 ）： 3226 - 3243 .
ZHOU H Y ， ZHOU Y ， LIU Y N ， et al . Research on high-speed train load spectrum and bridge load effect spectrum ［J］. IOP Conference Series：Earth and Environmental Science ， 2021 ， 719 （ 3 ）： 032095 .
刘德昆 ， 李强 ， 林浩博 ， 等 . 高速列车转向架构架结构的疲劳可靠性模型 ［J］. 中国铁道科学 ， 2017 ， 38 （ 5 ）： 100 - 106 .
LIU Dekun ， LI Qiang ， LIN Haobo ， et al . Fatigue reliability model of bogie frame structure for high-speed train ［J］. China Railway Science ， 2017 ， 38 （ 5 ）： 100 - 106 . （In Chinese）
张子璠 ， 李强 ， 刘汉文 ， 等 . 基于信息熵的城轨车辆应变传感器优化布置 ［J］. 东北大学学报（自然科学版） ， 2020 ， 41 （ 3 ）： 367 - 373 .
ZHANG Zifan ， LI Qiang ， LIU Hanwen ， et al . Optimal placement of strain sensors for urban rail vehicles based on information entropy ［J］. Journal of Northeastern University（Natural Science） ， 2020 ， 41 （ 3 ）： 367 - 373 . （In Chinese）
WANG B J ， LI Q ， REN Z S ， et al . Improving the fatigue reliability of metro vehicle bogie frame based on load spectrum ［J］. International Journal of Fatigue ， 2020 ， 132 ： 105389 .
张名扬 ， 张开林 . 基于多轴理论的构架焊缝疲劳强度研究 ［J］. 机械强度 ， 2022 ， 44 （ 1 ）： 225 - 231 .
ZHANG Mingyang ， ZHANG Kailin . Research on the weld fatigue strength of frame based on multi-axis theory ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 1 ）： 225 - 231 . （In Chinese）
卢耀辉 ， 张德文 ， 赵智堂 ， 等 . 焊接残余应力对动车组铝合金车体疲劳强度的影响 ［J］. 交通运输工程学报 ， 2019 ， 19 （ 4 ）： 94 - 103 .
LU Yaohui ， ZHANG Dewen ， ZHAO Zhitang ， et al . Influence of welding residual stress on fatigue strength for EMU aluminum alloy carbody ［J］. Journal of Traffic and Transportation Engineering ， 2019 ， 19 （ 4 ）： 94 - 103 . （In Chinese）
张亚禹 ， 孙守光 ， 杨广雪 ， 等 . 高速列车转向架构架载荷特征及疲劳损伤评估 ［J］. 机械工程学报 ， 2020 ， 56 （ 10 ）： 163 - 171 .
ZHANG Yayu ， SUN Shouguang ， YANG Guangxue ， et al . Load characteristics and fatigue damage assessment of high speed train bogie frame ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2020 ， 56 （ 10 ）： 163 - 171 . （In Chinese）
YUAN Z ， HEN X J ， MA L J ， et al . A segmented load spectrum model for high-speed trains and its inflection stress as an indicator for line quality ［J］. International Journal of Fatigue ， 2021 ， 148 ： 106221 .
TAMAS P ， MRINAL K . Aircraft parameter estimation using a novel hybrid Luus-Jaakola/Hooke-Jeeves neural-network based optimization technique ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ，Part G：Journal of Aerospace Engineering， 2023 ， 237 （ 9 ）： 2196 - 2208 .
LAPKO A V ， LAPKO V A . Fast selection of bandwidths for nonpa-rametric estimation of the probability density of a two-dimensional random variable with dependent components ［J］. Optoelectronics，Instrumentation and Data Processing ， 2023 ， 59 （ 2 ）： 193 - 199 .
FILIPPONE M ， SANGUINETTI G . Approximate inference of the bandwidth in multivariate kernel density estimation ［J］. Comput-ational Statistics and Data Analysis ， 2011 ， 55 （ 12 ）： 3104 - 3122 .
张卫贞 ， 曾建潮 ， 石慧 ， 等 . 基于核密度估计的实时剩余寿命预测 ［J］. 计算机集成制造系统 ， 2020 ， 26 （ 7 ）： 1794 - 1801 .
ZHANG Weizhen ， ZENG Jianchao ， SHI Hui ， et al . Real-time residual life prediction based on kernel density estimation ［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems ， 2020 ， 26 （ 7 ）： 1794 - 1801 . （In Chinese）
赵方伟 ， 谢基龙 . 小应力循环对C70E型车体疲劳损伤的影响研究 ［J］. 机械工程学报 ， 2014 ， 50 （ 10 ）： 121 - 126 .
ZHAO Fangwei ， XIE Jilong . Influence of small stress cycles on the fatigue damage of C70E car body ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2014 ， 50 （ 10 ）： 121 - 126 . （In Chinese）
曹蕾蕾 ， 王严 ， 王留涛 ， 等 . 大型焊接结构疲劳寿命评估研究综述 ［J］. 机械强度 ， 2022 ， 44 （ 6 ）： 1443 - 1454 .
CAO Leilei ， WANG Yan ， WANG Liutao ， et al . Review of research on fatigue life evaluation for large welded structures ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 6 ）： 1443 - 1454 . （In Chinese）
薛海 ， 胡李军 ， 李强 . 基于实测应力的动车组制动盘盘毂服役特性 ［J］. 中国铁道科学 ， 2021 ， 42 （ 1 ）： 105 - 115 .
XUE Hai ， HU Lijun ， LI Qiang . Service characteristics of EMU brake disc hub based on measured stress ［J］. China Railway Science ， 2021 ， 42 （ 1 ）： 105 - 115 . （In Chinese）
李旭东 ， 尹建平 ， 杜志鹏 ， 等 . 多次水下爆炸钢制圆板应变与挠度增长规律分析 ［J］. 振动与冲击 ， 2020 ， 39 （ 5 ）： 131 - 136 .
LI Xudong ， YIN Jianping ， DU Zhipeng ， et al . Growth law analysis for strain and deflection of steel circular plates subjected to multiple underwater explosions ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2020 ， 39 （ 5 ）： 131 - 136 . （In Chinese）
0
浏览量
0
下载量
0
CSCD
- 网络PDF下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 豫ICP备05013835号-4
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies