碳纤维设备舱随机振动疲劳分析_龚振.pdf
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1、内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n碳纤维设备舱随机振动疲劳分析龚 振,赵思聪,苑玉展(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 2 6 6 1 1 1)摘 要:针对碳纤维设备舱,采用A B AQU S进行有限元建模,依据I E C6 1 3 7 3-2 0 1 0 铁道车辆设备冲击和振动试验标准 利用F E S A F E进行随机振动分析,结合D i r l i k函数和M i n e r线性疲劳累积损伤准则进行了随机振动疲劳分析,计算了该碳纤维设备舱在三个方向随机激励下的损伤因子D,结果表明该碳纤维设备舱在I E C6 1 3 7 3-2 0 1 0标准规定的加速度谱密
2、度下疲劳损伤远小于1,具有足够的安全裕度。关键词:设备舱;碳纤维;随机振动疲劳 中图分类号:T Q 3 2 7.3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 7 9-0 3R a n d o mV i b r a t i o nF a t i g u eA n a l y s i so fC a r b o nF i b e rE q u i p m e n tC a b i nG o n gZ h e n,Z h a oS i-c o n g,Y u a nY u-z h a n(C R R CQ i n g d a oS i f a n gL
3、 o c o m o t i v e&R o l l i n gS t o c kC o.,L t d.,Q i n g d a o,S h a n d o n g2 6 6 1 1 1)A b s t r a c t:F o r t h ec a r b o nf i b e re q u i p m e n t c a b i n,A B AQU S i su s e d f o r f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g.A c c o r d i n gt oI E C6 1 3 7 3-2 0 1 0 R a i l w a yV e h i
4、c l eE q u i p m e n t I m p a c ta n dV i b r a t i o nT e s tS t a n d a r d,F E S A F Ei su s e df o rr a n-d o mv i b r a t i o na n a l y s i s.C o m b i n e dw i t hD i r l i k f u n c t i o na n dM i n e r l i n e a r f a t i g u e c u m u l a t i v ed a m a g e c r i t e r i o n,r a n-d o mv
5、 i b r a t i o nf a t i g u e a n a l y s i s i s c a r r i e do u t.T h ed a m a g e f a c t o rDo f t h e c a r b o n f i b e r e q u i p m e n t c a b i nu n d e r r a n-d o me x c i t a t i o n i nt h r e ed i r e c t i o n s i sc a l c u l a t e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ef a t i g
6、 u ed a m a g eo f t h ec a r b o nf i b e re-q u i p m e n t c a b i nu n d e r t h ea c c e l e r a t i o ns p e c t r a ld e n s i t ys p e c i f i e di nI E C6 1 3 7 3-2 0 1 0s t a n d a r di sf a r l e s st h a n1a n dt h ec a r b o nf i b e re q u i p m e n t c a b i nh a ss u f f i c i e n t
7、s a f e t ym a r g i n.K e yw o r d s:E q u i p m e n t c a b i n;C a r b o nf i b e r;R a n d o mv i b r a t i o nf a t i g u e作者简介:龚振(1 9 8 7),男,山东枣庄人,汉族,工程师,硕士研究生,主要从事轨道车辆车体结构研发设计工作。1 设备舱结构与碳纤维复合材料设备舱结构主要由弯梁、横梁、边梁,裙板、底板、端板等组成,广泛采用铝合金型材、铝板、蜂窝铝板及其焊接结构。整个设备舱通过弯梁、裙板与车体底架相连接;弯梁结构通过螺栓与车体底架连接;裙板通过裙板锁与车体
8、连接。北京交通大学的研究学者1对铝合金设备舱底板进行了疲劳可靠性研究,使用商业有限元分析软件A N S Y S对设备舱进行了有限元仿真计算,并使用实测线路试验数据估算了设备舱底板疲劳寿命。北京交通大学的两位研究学者2,3,中车长客股份公司的工程师4研究了设备舱动应力试验,证明了设备舱动应力满足标准要求,试验结果可以更好的为设备舱疲劳强度评估和列车维修里程提供依据。碳纤维复合材料具有比强度好、比模量好、耐疲劳性能好、耐腐蚀性能好和尺寸稳定性好等优异性能,能够满足轨道交通车辆领域内的高强度、耐撞性、抗疲劳、耐腐蚀和减振降噪等设计指标要求5。国外在轨道车辆上应用碳纤维复合材料已有较多成果,国内虽然起
9、步较晚,但目前仍然取得了一些优异成果6-9。中车四方股份公司与上海晋飞于2 0 1 6年成功合作研制了高速动车组碳纤维复合材料设备舱,相比传统铝合金设备舱减重约3 0%。中车长客股份公司与江苏恒神公司在2 0 1 8年成功研制全碳纤维复合材料地铁“光谷量子号”,并在武汉地铁线路上运营,这也是国际上首列商业运营的全碳纤维车体。中车四方股份公司与中德轨道联合研发中心于2 0 1 8年成功合作研制了全碳纤维地铁列车“C E T R O V O”,实现车体结构相较原金属结构减重约3 0%,转向架结构相较金属结构减重约4 0%。中车研究院、中车四方股份公司与中德轨道联合研发中心与2 0 1 9年又研制出
10、高速动车组全碳纤维复合材料设备舱。中车青岛四方机车车辆股份有限公司于2 0 2 0年6月成功研制了时速6 0 0k m/h的高速磁浮列车,其车体主结构、悬浮架等部位使用了大量碳纤维符合材料。青岛科技大学的研究学者1 0和北京交通大学的研究学者1 1均对碳纤维复合材料设备舱进行了有限元仿真计算研究,他们基于有限元分析理论对碳纤维复合材料设备舱进行了静强度和疲劳强度分析,验证了结构安全性。本文针对某碳纤维复合材料设备舱结构,依据I E C6 1 3 7 3-2 0 1 0铁道车辆设备冲击和振动试验标准采用有限元软件A B A Q U S进行了随机振动疲劳损伤评价工作。2 设备舱有限元模型本文研究对
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