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图 文 导 读
图1 Graphical Abstract
准确解析服役载荷是评估高速磁浮列车关键承载部件结构强度和疲劳寿命的关键,但对于尚处于研发阶段的超高速磁浮列车,国内外均普遍缺乏相关的运营经验、测试数据和设计标准。随着系统动力学的发展,多体动力学仿真现已成为分析磁浮列车振动响应和服役载荷的重要研究手段。因此,探索基于系统动力学的动态载荷分析、结构强度校核和振动疲劳寿命评估方法对于高速磁浮列车关键承载部件,尤其是现阶段缺乏在线测试数据的时速600公里及以上速度等级超高速磁浮列车的研发设计和运行安全尤为重要。
西南交通大学吴圣川研究员、吴兴文副教授和刘建新教授团队,在《国际机械系统动力学学报(英文)》(International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD)发表“系统动力学与结构强度学融合的高速磁浮列车摆杆振动疲劳寿命评估”研究论文。该文通过系统动力学和有限元法,研究了基于系统动力学的高速磁浮列车关键承载部件结构强度和振动疲劳寿命评估方法。以高速磁浮列车摆杆为例,利用高速磁浮列车刚-柔耦合多体系统动力学仿真模型分别分析了11种超常载荷工况和9种疲劳载荷工况条件下作用于摆杆的极限设计载荷和疲劳载荷谱;分析了摆杆在11种超常载荷工况作用下的应力状态,校核了6082-T6铝合金和40CrMo合金钢两种材质摆杆的结构强度;评估了9种疲劳载荷工况作用下悬浮架的疲劳寿命,识别了临界安全部件和位置;在此基础上,通过将线路条件、仿真工况、服役载荷与摆杆的疲劳寿命相关联,研究了影响摆杆疲劳寿命的关键因素。研究发现,在11种超常载荷工况作用下,6082-T6铝合金和40CrMo合金钢两种材质摆杆结构强度的最小安全系数分别为1.33和5.59,均能满足设计要求,但前者与极限安全系数下限值1.30较为接近,存在结构优化和改进的空间;而后者的安全裕度过大,不利于实现结构的轻量化设计;摆杆是悬浮架疲劳寿命最低的临界安全部件,其临界安全位置为摆杆与摆动台装置相连一端的变截面位置,最低疲劳寿命为2390万公里,折算寿命长达34年,较接近列车的设计寿命30~35年;相比行驶速度,平面曲线半径对摆杆疲劳寿命的影响更为显著,增大平面曲线半径或限制车体安装座与摇枕之间的横向相对位移均能够降低作用于摆杆的横向弯矩,并由此显著提高摆杆的疲劳寿命和耐久性。
本研究对车辆系统动力学与关键承载部件强度和寿命的联合分析具有重要意义,为在研超高速磁浮列车关键部件结构强度和振动疲劳寿命提供了理论基础和技术支持,对于同类车型的研发设计与服役安全评估也具有借鉴意义。
High-speed maglev trains are subjected to severe dynamic loads, thus posing a failure hazard. It is necessary to account for the vehicle dynamics to improve the structural strength and fatigue life assessment approach under harsh routes and super high-speed grades. As the most critical load-carrying part between the vehicle body and levitation frames, the swing bar was taken as an example to demonstrate the significance of vehicle dynamics to integrate classical structural strength and fatigue life with the service conditions. A multiphysics-coupled dynamic model of an alpha improvement scheme for an electromagnetic suspension maglev train capable of 600 km/h was established to investigate the complex dynamic loads and fatigue spectra. Using this model, the structural strength and fatigue life of the wrought swing bars were investigated. Results show only a slight effect on the structural strength and fatigue life of swing bars by the super high-speed grades. The nonaxial bending moments caused by the uncompensated relative displacement between the vehicle body and bolsters are identified as the decisive factors. The minimum safety factor of the structural strength for wrought swing bars is 1.33, while the minimum fatigue life is 34 years. Both match the design requirements but are not conservative enough. Therefore, further verification and optimization are recommended to improve the design of swing bars.
Keywords:
vibration fatigue life, dynamic strength, levitation frame, high-speed maglev train, time-domain stepwise fatigue assessment (TSFA)
DOI: 10.1002/msd2.12045
Share this article:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12045
Cite this article: Guo F, Hu F, Wu S, He F, Liu J, Wu X. System dynamics in structural strength and vibration fatigue life assessment of the swing bar for high-speed maglev train. Int J Mech Syst Dyn. 2022; 2(2):178-189.
该文亮点:
提出了基于系统动力学的高速磁浮列车关键承载部件结构强度校核和振动疲劳寿命评估方法;
利用高速磁浮列车刚-柔耦合多体系统动力学仿真模型开展了振动响应和动载荷分析,获得了关键承载部件的极限设计载荷和疲劳载荷谱;
发现摆杆是悬浮架疲劳寿命最低的临界安全部件,其结构强度的最小安全系数和折算疲劳寿命分别为1.33和34年,满足设计需求但均接近许用安全值,存在结构优化和改进的空间;
研究了影响摆杆疲劳寿命的关键因素,发现平面曲线半径对摆杆疲劳寿命的影响最显著,限制平面曲线通过工况所导致的面外弯矩水平是提高摆杆结构强度和振动疲劳寿命的有效手段。
Highlights:
A structural strength and vibration fatigue life assessment method based on the system dynamics is proposed for the critical components of high-speed maglev trains.
The vibration responses and dynamic loads were analyzed by the rigid-flexible coupled multibody dynamics model, thus the critical design loads and fatigue load spectra were obtained.
Swing bars are determined as the critical safety component of the maglev bogie with the minimum fatigue life of 34 years, and the minimum safety factor of the structural strength and minimum fatigue life are 1.33. Both of them can meet but very close to the minimum design requirements, while the design of swing bars can be further improved and optimized.
Critical factors influencing the fatigue life of swing bars were investigated, and the radii of plane curves are determined as the decisive factor for the structural strength and vibration fatigue life of swing bars, which can be observably improved by limiting the bending moment due to the low-speed plane curve passing conditions.
作 者 简 介
郭 峰 西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士研究生。曾承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和国家铁路集团公司科技课题等;发表论文13篇;申请及授权专利2项。主要从事高速动车组和高速磁浮列车关键承载部件的结构设计及结构完整性研究。
胡飞飞 西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士研究生。曾承担国家重点研发计划项目;发表论文2篇。主要研究方向为机车车辆结构设计与强度分析,目前主要从事车辆结构完整性评估理论的研究。
吴圣川 西南交通大学牵引动力国家重点实验室研究员、博士生导师,扬华学者,曼彻斯特大学国家先进材料研究所荣誉教授,现任机车车辆研究所副所长、第八届计算力学软件专业组秘书长、中国材料研究学会疲劳分会理事、机械工程学会焊接力学及结构专委会副主任等职务,入选第十三批四川省学术与技术带头人。主持/参加国家973项目及国基青年、面上、重点、重大、联合基金及军科委项目等30余项,曾获四川省科技进步二等奖(排名1)和中国质量技术一等奖(排名2)。长期从事高铁车辆结构服役行为评估研究,曾任疲劳顶刊Int J Fatigue(编委)、断裂顶刊Eng Fract Mech及美国Comput Sci Eng等知名SCI期刊客座主编,现任国际期刊Int J Mech Syst共同主编、Tomo Mater Struct创刊编委等。曾在国际会议作特邀报告15次。近五年来,在Nature子刊、Acta Mater、Int J Fatigue等SCI期刊发表论文100余篇(总被引达3000余次),首创提出了高铁结构服役“阶梯疲劳评估框架”;授权发明专利14项和计算机软件10项;出版中英文专著6部,参与制定国家标准3部。主持研发的疲劳断裂仿真软件SinCrack打破了英国和美国的行业垄断,并孵化出成都洞力科技有限公司;主持研发我国全系列高分辨X射线三维成像的原位疲劳试验机,填补国内空白,部分装置国际领先。
和 风 西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士研究生。曾参与国家重点研发计划项目、校企合作项目;发表论文1篇、授权专利1项。主要研究方向为轨道车辆系统动力学,目前主要关注高速磁浮列车动力学性能及走行部的动力学响应特征研究。
刘建新 西南交通大学牵引动力国家重点实验室教授、博士生导师,现任机车车辆研究所所长,曾担任中国交通运输协会青年科技委主任、全国工程硕士交通运输工程领域教育协作组组长、《交通运输工程学报》编委。长期从事轨道交通领域的教学、科研工作,主持/参加多项国家自然科学基金项目、国家“863”计划项目、国家科技重点研发计划项目及校企合作项目。主要从事轨道车辆动力学与结构强度研究,特别关注车辆驱动系统,在其非受迫振动和振动疲劳等领域取得了多项原创成果。
吴兴文 西南交通大学机械工程学院副教授、硕士生导师。入选第五届中国科协青年人才托举工程,主持国家青年科学基金项目、实验室主任基金、中央高校科技创新项目各1项,主研国家级项目2项、省部级项目5项、校企业合作项目50余项。发表论文20余篇、授权专利6项。主要研究方向为车辆系统动力学、结构振动疲劳和车辆系统智能运维,特别关注高速列车车轮多边形非圆化磨耗形成机制及抑制措施。
期 刊 简 介
IJMSD由来自18个国家的20位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创立。主编为南京理工大学芮筱亭院士,3位合作主编分别是加拿大皇家学会会士、加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士,国际理论与应用力学联盟(IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院两院院士、欧洲科学院外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang院士。
IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准,为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学,所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构,还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。
目前,IJMSD已被ESCl, Scopus, Inspec, DOAJ等收录。2023年免收出版费,并为已录用稿件免费提供专业语言润色服务,欢迎全球科学家投稿交流。
期刊主页:
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/27671402
投稿网址:
https://mc.manuscriptcentral.com/ijmsd
编辑部邮箱:office@ijmsd.net
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