CN114492115A - 轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法及系统，包括：获取轨道车辆橡胶外风挡的材料密度和应力‑应变曲线；计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值，作为外风挡的位移载荷；基于上述数据，通过有限元仿真分析获得外风挡在不同曲线工况下所产生的最大应变值；根据所述不同曲线工况下所产生的最大应变值，以及拟合得到的外风挡橡胶材料的应变‑寿命关系式，得到不同曲线工况下对应的寿命值。本发明通过有限元仿真模拟轨道车辆曲线运行的工况，并获得该工况下外风挡发生的最大应变值，基于拟合得到的应变‑寿命关系，获得外风挡的疲劳寿命值，从而实现车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估。

Description

轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法及系统
技术领域
本发明涉及橡胶外风挡疲劳寿命评估技术领域，尤其涉及一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
外风挡作为轨道车辆的重要组成部件，安装于两车厢端部连接处，能够实现车端连接平顺化，提升车辆减阻降噪的性能。结合图1和图2，外风挡主要由U型胶囊和铝框架组成，胶囊可以为三元乙丙橡胶。外风挡为分体式结构，分别固定在动车组相邻两个车端上，胶囊间接触，但没有连接，具有较好的柔性变形能力，轨道车辆编组后，相邻车端的外风挡存在压缩量，当轨道车辆处在曲线运行工况时，两车外风挡之间会产生相互挤压，通过挤压变形提供两车车厢之间的位移量。
轨道车辆高速运行过程中，橡胶外风挡结构会在气动载荷作用下产生横向变形，外风挡的变形振动会影响车端周围流场的运动，从而改变气动载荷的分布和大小，导致车厢端部连接处的气动力分布不均匀，严重影响行车稳定性；同时，对于外风挡的疲劳寿命也会产生较大的影响。因此，对于外风挡疲劳寿命的准确评估能够及时了解外风挡的工作状态，保证车辆稳定运行。
现有技术中，往往仅针对外风挡的气动载荷特性进行研究，而对于外风挡疲劳寿命的评估并不多见。目前对于外风挡疲劳寿命的评估，大都仅通过曲线疲劳试验，模拟外风挡在车辆通过曲线时的机械疲劳来进行评估。此方法仅能在制作完成后进行实物验证，无法进行前期设计的技术指导工作，且成本高、周期长。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法及系统，通过有限元仿真模拟轨道车辆曲线运行的工况，并获得该工况下外风挡发生的最大应变值，基于拟合得到的应变-寿命关系，获得外风挡的疲劳寿命值，从而实现车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估。
根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法，包括：
获取轨道车辆橡胶外风挡的材料密度和应力-应变曲线；
根据轨道车辆运行线路上的曲线路径半径和曲线路径数量，计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值，作为外风挡的位移载荷；
基于外风挡的材料密度、应力-应变曲线以及位移载荷数据，通过有限元仿真分析获得外风挡在不同曲线工况下所产生的最大应变值；
根据所述不同曲线工况下所产生的最大应变值，以及拟合得到的外风挡橡胶材料的应变-寿命关系式，得到不同曲线工况下对应的寿命值。
得到不同曲线工况下对应的寿命值之后，还包括：
根据轨道车辆运行线路上的曲线数量，和所述不同曲线工况下对应的寿命值，计算单位时间内外风挡在线路运行中的曲线运行所产生的疲劳因子。
以及，基于所述疲劳因子和外风挡的使用寿命，确定外风挡在整个使用寿命期间内在线路运行中的曲线运行产生的疲劳因子。
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估系统，包括：
外风挡参数获取模块，用于获取轨道车辆橡胶外风挡的材料密度和应力-应变曲线；
位移载荷计算模块，用于根据轨道车辆运行线路上的曲线路径半径和曲线路径数量，计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值，作为外风挡的位移载荷；
最大应变值获取模块，用于基于外风挡的材料密度、应力-应变曲线以及位移载荷数据，通过有限元仿真分析获得外风挡在不同曲线工况下所产生的最大应变值；
寿命值计算模块，用于根据所述不同曲线工况下所产生的最大应变值，以及拟合得到的外风挡橡胶材料的应变-寿命关系式，得到不同曲线工况下对应的寿命值。
根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法。
根据本发明实施例的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过有限元仿真模拟列车曲线运行的工况，提取橡胶外风挡发生的最大应变值，根据应变-寿命关系式估算橡胶外风挡的疲劳寿命值，安全余量大，结论可靠性高，能够为外风挡结构设计和寿命估算提供可靠依据。
(2)本发明以列车的转向架中心为控制点，计算列车曲线运行时两控制点的位置，作为有限元仿真中外风挡的位移载荷；通过有限元仿真模拟提取列车曲线运行时橡胶外风挡发生的最大应变值；根据列车实际经过曲线动态，简化三维模型，模拟过程更加准确、简单。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的橡胶外风挡截面示意图；
图2为本发明实施例中的外风挡连挂状态示意图；
图3为本发明实施例中的轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法流程图；
图4为本发明实施例中的橡胶外风挡材料应力-应变曲线图；
图5为本发明实施例中的橡胶外风挡位移载荷示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法，参照图3，具体包括如下步骤：
步骤(1)：获取轨道车辆橡胶外风挡的材料密度和应力-应变曲线；
具体地，选取轨道车辆橡胶外风挡试样，通过标准试验测得其应力S-应变ε变化规律，得到图4所示的应力S-应变ε关系曲线；
将橡胶材料密度和应力-应变曲线导入ABAQUS有限元软件中，通过软件中自带的橡胶本构模型拟合得到最佳匹配的材料参数(包括弹性模量、泊松比等)。其中，橡胶材料密度为已知属性，通常由厂家提供，也可以实验确定。
步骤(2)：根据轨道车辆运行线路上的曲线路径半径和曲线路径数量，计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值，作为外风挡的位移载荷；
具体地，根据轨道车辆的运行交路、频次等信息，统计其线路上曲线路径的半径R及整条线路上曲线路径的数量M’。表1给出了轨道车辆运行的曲线路径半径和每年通过曲线路径的数量的对应示例。
表1列车运行的弯道数量
Figure BDA0003456974800000051
Figure BDA0003456974800000061
结合图5，以外风挡两侧的转向架中心(A1、B1)为控制点，计算出轨道车辆过不同半径的曲线路径时，两控制点的位置坐标值，作为外风挡的位移载荷；坐标值包含两控制点沿X、Y轴的平动值及沿Z轴的转动值。其中，两控制点的位置坐标值根据车辆参数(长度、定距、车钩回转中心距、车钩伸缩及拉伸量等)和曲线半径，通过作图法确定；或者通过软件计算确定。
步骤(3)：基于外风挡的材料密度、应力-应变曲线以及位移载荷数据，通过有限元仿真分析获得外风挡在不同曲线工况下所产生的最大应变值；
具体地，在有限元分析软件中定义外风挡胶囊的材料、相对位置关系、接触关系、位移载荷等参数，然后进行仿真计算，分别提取外风挡在过不同曲线路径工况下橡胶相互挤压所产生的最大应变值ε。
本实施例中，对于选取的橡胶外风挡试样，按照GB/T 528-2009进行拉伸测试，测定试样的拉伸断裂强度。
然后选取6～8个应力级别，按照应力比为0(正弦波加载方式)、频率为3～5Hz进行轴向拉伸疲劳试验。记录在不同应变ε下的疲劳寿命试验数据，如表2所示。
表2外风挡胶囊疲劳寿命试验数据
应变ε ε<sub>1</sub> ε<sub>2</sub> … ε<sub>n</sub>
循环次数N(次) N1 N2 … Nn
步骤(4)：根据所述不同曲线工况下所产生的最大应变值，以及拟合得到的外风挡橡胶材料的应变-寿命关系式，得到不同曲线工况下对应的寿命值。
其中，ε为疲劳试验中橡胶材料的应变，即ε＝(Δl+l)/l；l为橡胶材料的试验长度，Δl为橡胶材料的试验后变化的长度。
通过数据拟合得到外风挡橡胶的应变-寿命关系式：
ε＝a×(lgN)2+b×(lgN)+c (1)
a，b，c分别为拟合关系式中的参数，不同配方的橡胶材质，参数不同。
将不同曲线工况下的最大应变值ε代入公式(1)，计算得到每个最大应变值对应的寿命值N。
根据表1中列车运行线路上通过曲线的数量，可计算每年外风挡在线路运行中曲线运行产生的疲劳因子f：
f＝M/N (2)
假设外风挡额定使用寿命为P年，则外风挡在整个使用寿命期间在线路运行中曲线运行产生的疲劳因子F为：
F＝∑f×P＝(f1+f2+…+fn)×P (3)
若F＞1，则外风挡能够满足线路运行需求；若F＜1，则外风挡不能满足线路运行需求。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估系统，包括：
外风挡参数获取模块，用于获取轨道车辆橡胶外风挡的材料密度和应力-应变曲线；
位移载荷计算模块，用于根据轨道车辆运行线路上的曲线路径半径和曲线路径数量，计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值，作为外风挡的位移载荷；
最大应变值获取模块，用于基于外风挡的材料密度、应力-应变曲线以及位移载荷数据，通过有限元仿真分析获得外风挡在不同曲线工况下所产生的最大应变值；
寿命值计算模块，用于根据所述不同曲线工况下所产生的最大应变值，以及拟合得到的外风挡橡胶材料的应变-寿命关系式，得到不同曲线工况下对应的寿命值。
在一些实施方式中，为了评估外风挡是否能够满足线路运行要求，还包括：
疲劳因子计算模块，用于根据轨道车辆运行线路上的曲线数量，和不同曲线工况下对应的寿命值，计算单位时间内外风挡在线路运行中的曲线运行所产生的疲劳因子。
进一步地，基于所述疲劳因子和外风挡的额定使用寿命，确定外风挡在整个使用寿命期间内在线路运行中的曲线运行产生的疲劳因子。
需要说明的是，上述各模块的具体实现过程已经在实施例一中进行了详细说明，此处不再详述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
在另一些实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括：
获取轨道车辆橡胶外风挡的材料密度和应力-应变曲线；
根据轨道车辆运行线路上的曲线路径半径和曲线路径数量，计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值，作为外风挡的位移载荷；
基于外风挡的材料密度、应力-应变曲线以及位移载荷数据，通过有限元仿真分析获得外风挡在不同曲线工况下所产生的最大应变值；
根据所述不同曲线工况下所产生的最大应变值，以及拟合得到的外风挡橡胶材料的应变-寿命关系式，得到不同曲线工况下对应的寿命值。
2.如权利要求1所述的一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法，其特征在于，得到不同曲线工况下对应的寿命值之后，还包括：
根据轨道车辆运行线路上的曲线数量，和所述不同曲线工况下对应的寿命值，计算单位时间内外风挡在线路运行中的曲线运行所产生的疲劳因子。
3.如权利要求2所述的一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法，其特征在于，基于所述疲劳因子和外风挡的额定使用寿命，确定外风挡在整个使用寿命期间内在线路运行中的曲线运行产生的疲劳因子。
4.如权利要求3所述的一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法，其特征在于，基于外风挡在整个使用寿命期间内在线路运行中的曲线运行产生的疲劳因子，确定当前外风挡是否能够满足线路运行要求。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法，其特征在于，计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值，具体包括：
以外风挡两侧的转向架中心(A1、B1)为控制点，计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值；所述坐标值包括两个控制点沿X轴和Y轴的平动值以及沿Z轴的转动值。
6.如权利要求1-4任一项所述的一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法，其特征在于，拟合得到外风挡橡胶材料的应变-寿命关系式，具体包括：
测定外风挡试样的拉伸断裂强度，选取设定的不同应力等级对外风挡试样进行轴向拉伸疲劳试验，记录在不同应力等级对应的外风挡试样的应变，以及不同应变对应的疲劳寿命试验数据；基于得到的数据进行曲线拟合，得到外风挡橡胶材料的应变-寿命关系式。
7.一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估系统，其特征在于，包括：
外风挡参数获取模块，用于获取轨道车辆橡胶外风挡的材料密度和应力-应变曲线；
位移载荷计算模块，用于根据轨道车辆运行线路上的曲线路径半径和曲线路径数量，计算轨道车辆经过不同半径曲线时的转向架中心坐标值，作为外风挡的位移载荷；
最大应变值获取模块，用于基于外风挡的材料密度、应力-应变曲线以及位移载荷数据，通过有限元仿真分析获得外风挡在不同曲线工况下所产生的最大应变值；
寿命值计算模块，用于根据所述不同曲线工况下所产生的最大应变值，以及拟合得到的外风挡橡胶材料的应变-寿命关系式，得到不同曲线工况下对应的寿命值。
8.如权利要求7所述的一种轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估系统，其特征在于，还包括：
疲劳寿命评估模块，用于根据轨道车辆运行线路上的曲线数量，和不同曲线工况下对应的寿命值，计算单位时间内外风挡在线路运行中的曲线运行所产生的疲劳因子；基于所述疲劳因子和外风挡的额定使用寿命，确定外风挡在整个使用寿命期间内在线路运行中的曲线运行产生的疲劳因子。
9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的轨道车辆橡胶外风挡疲劳寿命评估方法。
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