轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法技术

本发明专利技术提供了一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，限制载荷及极限载荷试验或模拟；引入第一类损伤进行t倍周期寿命的疲劳试验和模拟，引入第二类损伤并进行m倍检查周期的疲劳试验和模拟，引入第三类损伤进行n倍检查周期的疲劳试验，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求；本发明专利技术结合多类别损伤进行疲劳耐久性及损伤容限强度验证，解决了疲劳耐久性强度验证问题，保证了车辆的安全运行。了车辆的安全运行。了车辆的安全运行。

【技术实现步骤摘要】
轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法


[0001]本专利技术涉及轨道交通
，特别涉及一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，其他轨道交通复合材料结构可参照。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
[0003]复合材料替代金属材料减重效果良好，综合性能优异，因此，越来越多的复合材料被应用到轨道交通车辆上。
[0004]专利CN 109781557 A公开了一种列车车体焊接组件的焊缝疲劳测试方法。该专利根据受力载荷谱对所述模型部分进行有限元分析，以确定待测车体焊接组件的固定端的紧固力，以及待测试的车体焊接组件的受力端的最大应力和最小应力，并根据所述最大应力和所述最小应力确定所述施力参数。首先这种方法的受力载荷谱对于复合材料结构的轨道车辆疲劳强度并不适合，传统的受力载荷只能保证金属结构的疲劳强度，而对于复合材料需要根据实际路谱确定合适的载荷谱，其次该专利通过受力端的最大应力和最小应力确定紧固力，由于固定端的应力不是恒定的，因此这种方法会导致进紧固力载荷过大或过小，导致疲劳载荷过于保守，不能真实的模拟组件的疲劳受力载荷。
[0005]专利CN 107330166 B提出了一种铁路货车车体疲劳试验的虚拟试验方法，通过建立试验台模型，将铁路货车车体模型和摇枕模型与试验台进行配合，并将驱动信号加载至试验台模型上进行模拟试验，上述的试验方法使得模拟试验更加贴近实际试验结果，从而减小了模拟试验和实际试验之间的差距，该方法只是减小了整车级试验和模拟的差距，并不是可靠的减小与实际运营车辆真实疲劳寿命的情况，而且试验台疲劳试验的成本很高，目前的铁路车辆整车级别的疲劳试验很少进行，实用性不大；另一方面该专利是使适用于金属材质的铁路货车，对于采用复合材料结构的列车，因为复合材料的材料变异性、制造缺陷不稳定性，失效模式的复杂性、及载荷不确定等复杂因素，直接采用全尺寸的疲劳试验模型对比并不具备可靠性，偶然性很大；这种将试验台试验和试验台模型建模的方法只能消除两者直接的误差差异，而对复合材料结构特有的材料变异性、制造缺陷不稳定性，失效模式的复杂性、及载荷不确定等复杂不确定因素没有作用和效果。
[0006]专利CN 111982536 A公开了一种车体加速疲劳试验方法及其驱动信号的获取方法，其目的是提供一种车体加速疲劳试验方法及其驱动信号的获取方法，其所获取的驱动信号的通用性好，可以减少试验数量，进而可以解决试验组织困难、试验费用高等问题。该专利技术是以实测数据为目标，通过整车试验与实测数据相匹配的方法获得整车疲劳试验的驱动信号，该方法的整车疲劳试验非常繁琐，周期长，占用场地大，且费事费力，而且对于金属车体疲劳验证鲜有通过整车疲劳试验进行强度验证，而对于含复合材料承载结构的车体，由于复合材料结构的特殊性，仅通过整车级的试验难以可靠的验证疲劳耐久性。
[0007]专利CN 109308393 A提供了一种车体疲劳寿命的评估方法和系统，基于构建的车体疲劳寿命仿真模型，采用预设仿真流程及算法计算车体结构不同区域的仿真疲劳寿命，
获取基于车辆试验数据通过预设试验流程及方法得到的车体结构不同区域的试验疲劳寿命，当每一区域对应的仿真疲劳寿命和试验疲劳寿命的差值在预设范围内时，将不同区域对应的仿真疲劳寿命和试验疲劳寿命中的最小值作为车体结构的安全疲劳寿命；该专利技术将每一区域对应的仿真疲劳寿命和试验疲劳寿命的差值在预设范围内时，将不同区域对应的仿真疲劳寿命和试验疲劳寿命中的最小值作为车体结构的安全疲劳寿命，这样的方法并不能增加车体结构的安全疲劳寿命的准确度，而采用最小值的方法；以解决现在不存在对于全尺寸铁路货车车体结构的疲劳寿命的研究的问题；该专利技术也是针对的整车级的疲劳试验，需要进行整车的疲劳试验，成本很高，实现难度大，整车级别的驱动信号难度很大，加载频率和周期等要求都很长；而整车级的仿真模型由于没有进行标定和验证得到的疲劳寿命准确度和可靠度都无法进行保障。同样对于含复合材料承载结构的车体，由于复合材料结构的特殊性，仅通过整车级的试验难以可靠的验证疲劳耐久性。
[0008]综上所述，现有的轨道交通结构强度虚拟分析方法是针对金属结构的，并不适合各向异性和多层复合材料结构，无法实现各向异性和多层复合材料结构的准确疲劳耐久性及损伤容限强度验证。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，解决了疲劳耐久性强度验证问题，保证了车辆的安全运行。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]本专利技术第一方面提供了一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法。
[0012]一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，包括以下过程：
[0013]限制载荷及极限载荷试验或模拟；
[0014]引入第一类损伤进行t倍周期寿命的疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步，否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，t大于等于1且小于等于4；
[0015]在考虑环境载荷因子影响下，进行极限载荷下剩余强度模拟或试验，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤，未发生最终断裂、非线性变形、刚度降低和屈曲，进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求；
[0016]引入第二类损伤并进行m倍检查周期的疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，m大于1；
[0017]进行限制载荷或者K倍限制载荷下剩余强度模拟和试验，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤，未发生最终断裂、非线性变形、刚度降低和屈曲，进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，K大于1且小于总不确定系数；
[0018]引入第三类损伤进行n倍检查周期的疲劳试验，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，n大于或等于1；
[0019]进行限制载荷剩余强度试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤，未发生最终断裂、非线性变形、刚度降低和屈曲，则该层级结构满足耐久性和损伤容限要求；否
则，结构强度不满足耐久性和损伤容限要求。
[0020]本专利技术第二方面提供了一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法。
[0021]一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，包括以下过程：
[0022]按照相应层级进行限制载荷试验和模拟；
[0023]引入第一类损伤进行t倍寿命周期疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，t大于等于1且小于等于4；
[0024]引入第二类损伤并进行m倍检查周期的疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，其特征在于：包括以下过程：限制载荷及极限载荷试验或模拟；引入第一类损伤进行t倍周期寿命的疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步，否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，t大于等于1且小于等于4；在考虑环境载荷因子影响下，进行极限载荷下剩余强度模拟或试验，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤，未发生最终断裂、非线性变形、刚度降低和屈曲，进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求；引入第二类损伤并进行m倍检查周期的疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，m大于1；进行限制载荷或者K倍限制载荷下剩余强度模拟和试验，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤，未发生最终断裂、非线性变形、刚度降低和屈曲，进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，K大于1且小于总不确定系数；引入第三类损伤进行n倍检查周期的疲劳试验，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，n大于或等于1；进行限制载荷剩余强度试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤，未发生最终断裂、非线性变形、刚度降低和屈曲，则该层级结构满足耐久性和损伤容限要求；否则，结构强度不满足耐久性和损伤容限要求。2.一种轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，其特征在于：按照相应层级进行限制载荷试验和模拟；引入第一类损伤进行t倍寿命周期疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，t大于等于1且小于等于4；引入第二类损伤并进行m倍检查周期的疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，m大于1；引入第三类损伤进行n倍检查周期的疲劳试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤出现进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求，其中，n大于或等于1；限制载荷下的剩余强度模拟和试验，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤，未发生最终断裂、非线性变形、刚度降低和屈曲，进行下一步；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求；修理第二类和第三类的损伤，使其达到原有强度；考虑环境载荷因子，进行极限载荷下剩余强度试验和模拟，若该层级结构损伤无扩展及新的损伤，未发生最终断裂、非线性变形、刚度降低和屈曲，则该层级结构满足耐久性和损伤容限要求；否则结构强度不满足耐久性和损伤容限要求。3.如权利要求1或2所述的轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，其特征在于：根据实测载荷谱定义具有合理周期数的高周期疲劳载荷，根据实测载荷谱定义具有合
理周期数的低周期疲劳载荷。4.如权利要求3所述的轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，其特征在于：实测载荷谱的获取，包括：选取关键位置布置力、加速度传感器及应变片，布置的位置至少包括车体底架、车顶、转向架架位置的加速度传感器、车体之间及转向架及车体之间的力传感器以及窗角关键位置的应变片；测试获取各位置的随机载荷谱；对随机载荷谱进行雨流循环计数，获得载荷幅值、均值与循环频次的数据；根据雨流计数获得的幅值、均值及循环次数数据建立概率密度函数并进行分布检验；根据分布检验的结果，计算载荷幅值及均值的极值；确定车体纵向垂向横向实测载荷谱及目标次数循环外推名义变幅载荷谱；根据名义变幅载荷谱及各区域S
‑
N曲线确定车体三方向常幅等效高周载荷谱。5.如权利要求1或2所述的轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，其特征在于：对复合材料结构损伤进行分类，包括：第一类损伤为采用规定的目视检查方法能够可靠检出的最小尺寸损，含目视勉强可见损伤的结构能够承受极限载荷，并在两倍寿命期间损伤无扩展，剩余强度为极限载荷；第二类损伤为目视可见损伤，由确定的检测计划能够可靠检查的损伤，该损伤要求能构承受限制载荷的能力，并且在M倍的检查周期内损伤无扩展，剩余强度为限制载荷能力；第三类损伤为易检损伤，是在几次服役过程中可以被可靠检出的损伤，该损伤要求能够承受被检出之前期间的极限载荷，通常小于使用载荷，并能够承受期间的循环载荷；第四类损伤大的离散源损伤，包括鸟撞、严重的雷击和严重的冰雹，该类损伤要求能够使用合理百分比的使用载荷能力，确保可以救援或者缓慢运行停靠。6.如权利要求1或2所述的轨道车体复合材料疲劳耐久性及损伤容限强度验证方法，其特征在于：对于单层板，给出室温干态、低温干态及高温湿态下的单向层合板力学性能，包括：0
°
或经向和90
°
或纬向拉伸弹性模量和强度；0
°
或经向和90
°
或纬向压缩弹性模量和强度；纵横或面内剪切弹性模量和强度；主泊松比；对于夹层结构，给出室温干态、低温干态及高温湿态下的夹层结构力学性能，包括：面外拉伸强度、面外压缩强度和面外剪切强度；对于无缺口层合板，给出室温干态、低温干态及高温湿态下的典型铺层层合板力学性能，包括：拉伸弹性模量和强度、压缩弹性模量和强度、面内剪切弹性模量和强度、泊松比；对于含缺口层合板，给出室温干态、低温干态及高温湿态下开孔和充填孔的拉伸和压缩强度；对于含冲损伤层合板，给出室温干态环境层合板冲击后压缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯帅昌，史磊，赵英男，尹高冲，王坤，岳书静，
申请(专利权)人：中车成型科技青岛有限公司，
类型：发明
国别省市：