升降车齿轮箱箱体结构与材料的跨尺度决策??     肇庆升降车租赁,  肇庆升降车公司,  肇庆升降车    一些结构装配在系统之中，服役时不能够直接得到结构的直接损伤数据，但可以对结构的关键结构位置进行监测，关键结构位置的选择可以通过结构的仿真分析来确定。对关键结构位置的监测可以等效的认为是结构在有限元划分下，针对其有限单元材料的损伤过程的监测，这类关键结构位置的材料尺度的损伤数据能够反映关键结构位置的损伤状态，进行综合后可以反映结构的损伤状态。但是，由于材料的分散性、满足出厂检测的内部缺陷的存在、和相同材料不同结构的力学性能的不同表现，使得材料尺度的损伤信息的简单综合或线性放大，不能替代结构的损伤的信息，需要有效综合材料尺度和结构尺度的数据，互相修正，共同对不可维修长期服役结构的寿命结果进行．评估与决策。对于缺少结构尺度检测数据的情况下，可以采用结构尺度的仿真数据来进行跨尺度信息决策，得到结构的损伤信息及寿命预测结果。

     跨尺度信息包括材料尺度信息和结构尺度信息，由于本研究所涉及的不可维修长期服役构具有不易进行独立可靠性试验及寿命试验的特点，因此拟采用仿真方法，在结构尺度上直接获取箱体结构的疲劳损伤仿真结果数据；而在材料尺度上，可以依据材料的损伤机理，采用适当的在线无损监检测方法，得到的在线监测数据为各类传感器检测信号。上述两类数据进行综合属于多源异构信息的决策问题，二者具有相同的判别对象，因此在本研究中选择对结构尺度与材料尺度的寿命分析结果进行综合与决策。仿真研究可以认为是理想条件下的结果，认为材料的均一性一致，分散性满足期望值。但在真实条件下，由于材料加工工艺差异，材料的均一性并不完全一致，以铸造工艺为例，不同结构其冷却凝固时间、铸件形状等存在差异，结构内部均一性无法得到保障；其次，材料制备过程也使得材料产生一定分散性，导致结构个体之间也存在着一定的差异；此外，结构在服役过程中内部符合质检标准的缺陷可能不断演化成较大缺陷，也使结构各个有限单元的服役性能局部差异较大。由于结构不同，结构的各个子单元的等效应力不同，因此疲劳损伤也不相同，内部缺陷则会引起结构的个别单元疲劳强度远低于同幅度变化下的其他单元。同时，材料分散性的存在会使得结构各个单元的疲劳损伤在线实时检测判定结果在同幅度变化下整体低于或高于其仿真判定的期望值。由于材料均一性、分散性没有明确的量化指标，因此选用模糊决策法来对材料尺度、结构尺度的数据进行综合与决策。根据结构材料的等效应力分析可知，Ｆ与Ｇ两个模糊集合内部各个单元之间的关系的相似程度能够反映结构材料的均一性、分散性及内部缺陷问题，Ｆ与Ｇ的相似度高可以认为结构的仿真计算与在线检测的疲劳损伤分析差异来自于材料的分散性，在线检测结果可以作为材料疲劳损伤分析的主要依据；Ｆ与Ｇ的相似度低可以认为二者的差异主要来自于个别有限单元的内部缺陷，这时需要用仿真计算结果和在线检测结果来综合给出疲劳损伤分析结论。在模糊概念里，这种相似程度称为匹配度，可以通过计算Ｆ和Ｇ的汉明距离来反映两个模糊概念之间的差异。上述从材料尺度到结构尺度的损伤信息传递，是将损伤信息从微观尺度传递到宏观尺度，属于跨尺度信息传递，与宏观层级间信息传递不同，相同材料不同结构可能损伤信息差别很大，因此需要通过材料尺度与结构尺度的配准与关联，并将材料尺度的损伤信息综合到结构尺度之中。以不可维修长期服役结构为对象，针对典型结构的损伤分析与寿命预测中不易直接进行疲劳试验及仿真结果有待优化的问题，提出了一种跨尺度的结构寿命预测方法。充分利用结构在材料尺度与结构尺度上的信息，利用等效应力进行跨尺度的配准关联，利用模糊决策对两个尺度的损伤信息进行跨尺度决策，最终实现了不可维修长期服役结构的寿命预测研究。

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     箱体结构有限元仿真疲劳损伤分析与验证,   箱体结构有限元疲劳损伤分析本小节将对升降车齿轮箱箱体进行疲劳损伤的有限元仿真分析。在给定载荷下，升降车齿轮箱箱体结构必将承受交变载荷，逐渐发生疲劳损伤，通过有限元仿真软件能够给出箱体疲劳损伤的疲劳循环寿命，也能够给出箱体结构的每个有限单元的应力情况。通常在疲劳损伤研究中，认为当疲劳循环寿命到达１０７时即到了无限寿命，所以当有限元仿真软件给出的疲劳循环寿命大于１〇７时，只是给出一个象征值，而不是真正仿真的结果。在这种情况下，需要寻找一种方法能够计算出在疲劳循环寿命大于１〇７后的箱体结构的疲劳循环寿命。这里选择箱体结构疲劳损伤仿真结果中的最薄弱的有限单元，通过其有限单元受到的应力与箱体材料的材料基本特性应力疲劳曲线（Ｓ－Ｎ曲线）对应，找到相应的最薄弱单元的循环寿命，来作为箱体结构的疲劳寿命仿真结果。疲劳损伤是指材料在无限多次交变载荷作用下产生的失效形式。在实际疲劳损伤条件下，金属材料、结构并不能承受真正无限次的疲劳试验。疲劳失效是机械零件主要的失效因素之一，大概８０％以上的机械零件失效均属于疲劳损伤失效，而且在最终发生失效前，疲劳破坏并没有明显表现，所以承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。升降车齿轮箱为抱轴悬挂结构，齿轮、轴承等部件通过抱轴悬挂方式进行安装，不对箱体产生疲劳损伤，润滑油密度约为０．８５ｋｇ／ｍ３，正常工况下约２．５Ｌ，润滑油的影响也不大。箱体通过吊挂装置与转向架连接，升降车运行过程中，箱体随转向架一同处于不断振动当中，承受一定的交变载荷，这个交变载荷是升降车齿轮箱箱体发生疲劳损伤的主要原因。本研究中采用城际动车组转向架关键部件载荷谱，对箱体进行有限元疲劳损伤分析。升降车齿轮箱箱体等效应力云图，可得箱体在额定工况的载荷谱下等效应力最大值发生在小法兰孔外侧箱体吊挂位置，此处所受的等效应力最大值为２０．６５ＭＰａ，疲劳仿真模块给出疲劳寿命大于１０８次循环疲劳寿命，给出这个结果是由于对于一般高周疲劳，达到１０７次循环寿命即认为达到无限寿命，即不再考虑具体值，因此需要采用其他方法给出更加准确的疲劳寿命仿真结果。

       由于升降车齿轮箱箱体设计寿命与整车一致，箱体疲劳损伤为高周疲劳，疲劳损伤过程可以分解为多个静强度加载后的损伤累积。根据屈服准则，在一定条件下当某一点应力应变状态的等效应力应变达到某一与应力应变状态无关的定值时，材料就屈服；或者说材料处于屈服状态时，等效应力始终是一个不变的定值。因此对箱体结构进行疲劳损伤分析，可以发现其疲劳损伤中等效应力情况，可以确定最先发生疲劳损伤的位置，等效应力最大处可能是其疲劳寿命最为薄弱的地方，对于该位置可以依据材料基本特性Ｓ－Ｎ曲线，依据等效应力计算箱体疲劳寿命。材料基本特性Ｓ－Ｎ曲线，是描述应力与疲劳循环次数的关系，理论上，对于同一材料，其Ｓ－Ｎ曲线就是一定的。 等效应力为２０．６５ＭＰａ时，对应的循环次数为４１０１。在此工况下升降车齿轮箱箱体可以行走８７００万公里。本文所研究的升降车齿轮箱，其设计寿命为２０年，年运行里程７０万公里。可见，升降车齿轮箱箱体的疲劳损伤仿真分析结果超出设计寿命要求，这一结果与升降车齿轮箱生产厂进行讨论，认为有限元仿真分析结果是合理的，齿轮箱箱体的设计寿命是综合考虑箱体运行中的疲劳损伤和外界可能产生硬物撞击的拉伸损伤的综合结果，是在没有足够失效数据时对升降车齿轮箱箱体的基于安全的保守的设计寿命估计，箱体生产企业尚不掌握大量箱体疲劳寿命的服役数据，从质检角度认为箱体能够满足设计寿命即达到出厂要求。本研究给出的预测寿命结果这是在没有外界硬物撞击情况下，箱体疲劳损伤的寿命估计，可以看出，箱体结构满足设计要求，针对不同的箱体样本，具体的疲劳损伤预测寿命结果还有更新空间。

    有限元仿真结构疲劳损伤分析方法验证,    由于升降车齿轮箱箱体缺少全生命周期数据及可靠性试验，无法直接用箱体疲劳寿命来验证箱体疲劳强度仿真分析结果。为了验证仿真分析的可行性，采用箱体材料试件，通过进行疲劳试验与有限元仿真分析结果比对，来验证有限元仿真的可行性。在箱体上取样试件，并在ＡＮＳＹＳ软件中建立与该试件一致的三维模型，在相同载荷及等效应力下得到结构试件的疲劳试验和有限元仿真两种疲劳寿命结果。疲劳试验最大载荷为４２００Ｎ，等效应力为１７７．１２ＭＰａ，共进行了１８次疲劳试验。箱体材料Ｓ－Ｎ曲线数据及等效应力，得到试件的仿真分析疲劳寿命为１５１６４６次循环次数；结构试件疲劳试验中，在同等应力水平下进行１８次试件的疲劳试验，平均结果疲劳寿命为１６０２４６次循环次数。同一试件在相同载荷条件下，仿真分析疲劳寿命与疲劳试验的疲劳寿命相差８６００次循环次数，相对误差为５％。由于升降车齿轮箱箱体的疲劳损伤过程是一个漫长的过程，可以认为，上述误差可以接受，用有限元仿真方法进行疲劳强度分析结果与疲劳试验结果基本一致。综上，对升降车齿轮箱箱体在疲劳损伤条件下的有限元仿真分析结果进行了验证，一致认为有限元仿真方法是可行的，仿真结果与试验结果基本一致。虽然本节给出了升降车齿轮箱箱体寿命预测的仿真分析结果，但仿真分析结果相当于是一种样本空间下的均值，对于由于材料分散性所带来的箱体个体服役性能差异并没有体现，因此下面将利用跨尺度关联与决策方法，来实现对箱体样本个体剩余寿命的准确预测。

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