强度评估（精选3篇）
强度评估 篇1
1 概述
转向架是铁道车辆的重要部件之一, 而焊接构架作为转向架其余零部件的安装基础, 不仅要将车体重量和运行中的振动载荷传递到轮对, 还要承受连接在其上的牵引、制动与悬挂系统部件所产生的各向载荷。由于其受力状态复杂, 因此, 有必要在设计阶段对其疲劳强度进行评估。本文以某转向架焊接构架为研究对象, 通过对典型工况的有限元计算, 并用相应材料的Goodman疲劳极限图, 对其疲劳强度进行评估;利用有限元后处理程序, 将评估的结果通过安全系数和安全裕量进行直观显示。
2 焊接构架疲劳强度评定方法
疲劳强度是焊接结构在实际使用中非常重要的一项技术指标, 其影响因素主要可归结为三方面:①材料的本质——化学成分、金相组织、内部缺陷分布等;②零件的状态——缺口效应、尺寸效应、热处理状况、表面处理、残余应力等;③工作条件——载荷特征、环境介质、加载频率等。疲劳强度评估可以给出新设计的结构或者在役结构是否满足抗疲劳设计要求。进行结构疲劳强度评估需要解决两个问题, 即结构上的应力水平和许用疲劳强度。结构上的应力可以通过有限元计算或实际测试得到, 许用疲劳强度则需要通过疲劳试验得到。而通过计算发现疲劳强度的薄弱部位, 可以及时改进设计, 提高样机试验通过的概率, 从而节约产品研发的周期。因此, 用有限元模型评价关键部件的疲劳强度是可行的。
通常所用的评定机械元件的疲劳强度的方法是使用疲劳极限图进行评定, 常用的疲劳极限图主要有high图和Smith图。通常说的Goodman图是修正了的Smith图, 所以也叫做Goodman-Smith图。Goodman-Smith图是综合考虑疲劳应力幅、平均应力和材料机械性能限制的疲劳强度图, 常用于铁道车辆结构部件的疲劳设计, 如日本JIS E4207-1992铁道车辆用转向架设计通用规则、国际铁路联盟 (UIC) ORE B12/RP17货车标准, 都以该图为设计标准。我国的铁道标准也采用Goodman图来评估铁道车辆零部件的疲劳强度。
3 Goodman图的绘制方法
Goodman疲劳极限图以平均应力为横坐标, 最大、最小应力为纵坐标, 它具有形式简单、图示信息量大的特点, 能够清晰地显示疲劳极限的上、下应力界限, 直观地反映平均应力对疲劳极限的上、下极限应力以及应力幅的影响, 因此使用方便而被广泛应用。
Goodman疲劳极限线图绘制起来也很方便, 其技术关键是测定材料的强度极限σu、屈服极限σyp和对称循环下的疲劳极限σ-1N。测得σu、σyp和σ-1N后, 通过简单的几何作图, 即可得到修正的Goodman疲劳极限线图 (见图1) 。在此绘制方法的基础上, 也可以得到8节点Goodman-Smith图的8个节点的坐标值, 从而将Goodman-Smith画出, 如图2所示。
Goodman疲劳极限线图实际上是一种疲劳破坏应力包络线, 任何节点或单元应力如果处于封闭折线ABCDEFGHA之内, 表示在指定循环N次疲劳之后, 材料不会发生破坏, 否则材料都将发生断裂。为了定量反映构架各个局部的疲劳强度, 本文根据强度理论定义了安全系数和安全裕量。
安全系数定义为平均应力修正后的许用应力幅值与该结构组合工况下的当量应力 (Von mises应力) 幅值的比值, 即n=σper/σamp (1)
安全裕量定义为平均应力修正后的许用应力幅值与该结构组合工况下Von mises应力幅值的差值, 即η=σper-σamp (2)
式中, σper为平均应力修正后的许用应力幅值, 其计算公式为:
σper =σ-1× (1-σm/σs) (3)
式 (3) 中, σs为材料的屈服极限应力;σ-1为拉压循环材料疲劳极限;σm为平均应力;σamp为载荷循环下的应力幅值。显然, 安全系数大于1才能满足Goodman图所要求的N次循环材料不发生疲劳破坏的强度要求, 安全系数越大, 强度裕量越足。对于安全裕量则以大于0作为相应标准, 安全裕量越大强度裕量也就越足。
4 实例分析
4.1 焊接构架结构及计算模型的建立
应用上述疲劳强度的评定方法, 本文对某转向架焊接构架进行了疲劳强度评估。该构架采用Q345E钢板焊接结构, 主要由2根侧梁、1根横梁和2根端梁组成, 侧梁和横梁都采用封闭箱形断面, 端梁采用空心钢管结构, 构架呈下凹鱼腹型。侧梁上焊有横向减振器座、垂向减振器座, 横梁上设有牵引拉杆座及制动吊座等。中央悬挂为每侧2个钢簧。
有限元软件采用ANSYS软件, 这是一个通用的有限元计算程序, 可以进行静态、动态、热传导、流体流动和电磁学分析。该软件的解题规模比较大, 有条件建立离散单元比较小的有限元模型。构架有限元模型在Pro-E三维模型的基础上进行修改, 关键受力部位要真实反映其设计结构, 尽量减少非承载部件的影响, 对影响有限元计算的部位进行修改, 如焊缝、倒圆角、倒角等。然后把构架三维模型导入ANSYS软件, 有限元网格采用ANSYS自动离散, 对于受力复杂的部位进行人工干预, 使离散的模型更加精细, 计算结果更为准确。
整个构架采用实体单元 (solid187) 和接触单元 (conta174) 进行离散, 构架共离散成742 545个节点, 单元共计373 601个。离散后的有限元模型如图3所示。
4.2 载荷确定及约束处理
参照《动力转向架构架强度试验方法》 (TB/T2368-2005) , 构架在强度计算时须计算垂向载荷、横向载荷, 为更全面地分析构架受力工况, 计算还考虑了特殊载荷, 如牵引力、斜对称载荷、制动力、减振器作用产生的载荷。根据构架实际的受力部位施加载荷, 按照《动力转向架构架强度试验方法》的计算公式计算上述载荷。
考虑到构架支撑在轴箱弹簧支座上的特点, 在每个支撑面上建立弹簧边界单元 (COMBIN14) , 弹簧边界单元的垂向、横向和纵向刚度为一系悬挂对应的3个方向刚度;弹簧边界单元共计24个。各工况下, 构架在其他位置不再有约束。
4.3 计算工况的确定
参照TB/T2368-2005规范, 对于常规运行条件, 侧滚系数α取0.10, 浮沉系数β取0.20, 本次计算为考虑足够的安全裕量, 侧滚系数α取0.15, 浮沉系数β取0.25。共选择15种工况进行加载计算 (见表1) , 前13种工况为模拟运营工况组合, 后2种工况为超常工况组合。
(续表1)
除了表1中各工况所施加载荷外, 在计算工况11、13时, 还分别施加了运营牵引力载荷、运营制动力载荷和减振器载荷, 且这两种工况的牵引力载荷、制动力载荷和减振器载荷施加方向相反 (这两种工况将用于疲劳强度的校核) ;在计算工况14、15时, 还考虑了超常牵引力载荷, 且这两种工况的超常牵引力载荷施加的方向相反。
4.4 静强度计算结果及分析
根据上述载荷工况及有限元模型, 计算得到了各个工况的当量应力及其分布位置。在TB/T2368-2005规范规定的计算工况中, 超常载荷工况下最大当量应力为258.01 MPa, 未超出Q345E钢许用应力314 MPa的标准;运营工况下最大当量应力为175.53 MPa, 未超出Q345E钢许用应力209 MPa的标准, 构架的静强度满足要求。
4.5 构架疲劳强度计算及评估
对构架运营状态进行疲劳强度评定时, 首先求出每个节点在各工况下的最大应力σmax和最小应力σmin, 并用以下公式计算平均应力σm和应力幅值Δσ:σm= (σmax+σmin) /2, Δσ= (σmax-σmin) /2 , 由计算得到的平均应力和应力幅值, 根据Q345E钢的Goodman疲劳极限图, 推算出相应的许用应力幅值 (即平均应力修正后的许用应力幅值) , 即可以判断每一单元的应力幅值是否超出许用应力幅值。
为重现运营条件, 将运营工况11和工况13作为一组典型工况进行疲劳强度评定, 得到在这个载荷循环下, 构架的平均应力和应力幅值。使用Goodman疲劳极限图进行安全评定。为保守起见, 不考虑材料的应力状态 (拉伸或压缩状态) , 以Von mises等效应力作为评价标准。因Goodman疲劳极限图中, 负的平均应力对许用应力幅值没有影响, 使用Von mises等效应力是保守并且合理的。疲劳强度评定结果如图4～图7所示。
由以上4图可以看出, 构架各部位的安全系数均大于1, 安全裕量均大于0, 由此可以认为, 根据TB/T2368-2005标准所载明的Goodman图对构架进行疲劳强度评定的结果表明, 该构架满足疲劳强度的要求。
5 结论
(1) 用Goodman疲劳极限图对构架在典型工况下的疲劳强度进行评估, 得出的结果偏于安全, 这在工程上是可行的做法。
(2) 在产品设计阶段利用有限元模型进行关键部件的疲劳强度评估, 能够发现疲劳强度薄弱的部位, 是提高产品设计质量的重要环节。
以上评估结果为构架进一步的改进提供了重要依据。
摘要：焊接构架是铁道车辆走行部中最关键的部件, 其疲劳强度直接影响到车辆运行安全。通过对典型工况的有限元计算, 并用相应材料的Goodman疲劳强度曲线进行评估, 为产品在设计阶段提供重要依据。
关键词：铁道车辆,构架,转向架,疲劳强度
黄山市暴雨强度公式评估 篇2
1 原有的暴雨强度公式
目前, 安徽省黄山市尚未推求暴雨强度公式, 现在采用的是与其城市相邻近的杭州市的暴雨强度公式,即:
该公式是由杭州市建筑设计院于1983年采用数理统计法进行修订编制的。 该院通过分析1954~ 1977年共计24年的降雨资料 ,在降雨自记曲线上统计5、10、15、20、30、45、60、90、120 min共9个规定历时的最大降雨量,采用皮尔逊Ⅲ型曲线对统计数据进行整理后,运用图解与最小二乘计算结合法推导得出的杭州市暴雨强度公式。
该公式经多年在黄山市使用情况来看, 在20世纪90年代城市发展初期基本符合黄山市城市排水要求。 但近年来由于城市建设加速及全球气候变化,需要对暴雨公式的适用性做出评估。
2 暴雨强度公式评估
2.1 基础资料整理
黄山市位于安徽省最南端的皖南山区,以山地为主,属亚热带季风湿润气候区,主要特点是四季分明,春秋短,夏冬长,热量丰富,雨水充沛。 黄山市多年平均降水量为1 670 mm, 其中汛期的4~7月为931.9 mm,占年总降水量的55.8%。 最大年降水量2 708.4 mm(1954年),最小年降水量913.9 mm (1978年),最大年降水量是最小降水量的3倍,降水的年际分配极不均匀。 1996年屯溪以上最大24 h降水量为194.6 mm,最大6 h为97.9 mm,占最大24 h的50.8%,降水的时程分配亦极不均匀。
本文引用的黄山市暴雨资料为从2003年到2012年共10年的降雨资料。
黄山市2003年至2012年由年最大值法选样所得的各历时降雨强度统计见表1。
mm
考虑到近年来城市排水系统设计重现期通常都大于1年,因此重现期选择7种,分别为2、3、5、 10、20、30、50年。 根据表1数据分别计算出各历时与各重现期下的暴雨强度。降雨强度i、降雨历时t、 重现期T的关系见表2。
mm/min
2.2 P-Ⅲ频率曲线绘制
P-Ⅲ频率曲线是绘制在几率格纸上的,这种几率格纸的横向网格线为均匀分布,纵向网格线为对数刻度,不均匀分布。 横向网格线的绘制可以采用EXCEL的图表功能自动生成, 而纵向不均匀网格线可以通过向图表中添加XY散点图来完成。 海森几率格纸的横坐标与频率的标准正态分布分位数有关,标准正态分布分位数在50%处为0,而海森几率格纸在0.01%处为0。 因此海森几率格纸在任一频率下的横坐标计算公式可表示为:
式中:UP———频率P对应的标准正态分布分位数;
U0.01%———P=0.01%对应的标准正态分布分位数;
LP———海森几率格纸中频率P对应的横坐标值。
标准正态分布对应的分位数可以采用EXCEL的内置函数NORMSINV(P)直接计算。
不同降雨历时暴雨强度频率曲线见图1。
2.3 理论值整理
运用杭州公式计算得到的各历时下各种重现期的理论暴雨强度值见表3。
mm/min
2.4 方差估算
将运用杭州公式得到的各历时下各种重现期的理论暴雨强度值与拟合得来的P-Ⅲ频率曲线进行比较。 经计算得到的各重现期绝对均方差值和相对均方差值分别见表4、表5。
mm/min
%
由表4、表5可知,运用杭州公式计算得到的平均绝对均方差为0.203,已远大于《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)要求的0.05 mm/min;平均相对均方差为7.5%,也大于规范要求的5%。
3 结论
由于杭州市暴雨强度公式编制时间早,且地区相隔有一定距离,该公式已不能准确反应黄山市实际降雨情况。
为能科学、 合理地指导黄山市排水专项规划、 城市防涝规划的编制以及为排水防涝工程的设计提供依据,利用现有城市自降雨资料编制黄山市暴雨强度公式很有必要。
摘要：介绍了安徽省黄山市原有暴雨强度公式编制及使用的基本情况,提出了进行暴雨强度公式评估的必要性。通过收集黄山市2003~2012年共10年的降雨资料,采用年最大值法选取雨样进行频率分析,计算得到的平均绝对均方差为0.203 mm/min,平均相对均方差为7.5%,不能满足规范要求。认为有必要利用现有城市自降雨资料编制新的黄山市暴雨强度公式。
强度评估 篇3
子宫肌瘤 (Hysteromyoma) 是育龄妇女的常见良性肿瘤, 可不同程度地影响生活质量。高强度聚焦超声 (HighIntensity Focused Ultrasound, HIFU) 是一种微创且保留子宫的子宫肌瘤治疗方法[1]。包括磁共振成像 (MRI) 在内的多种影像学检查是随访疗效的重要手段, 既往鲜有低场MRI评估HIFU治疗子宫肌瘤疗效的报道。本研究通过对比HIFU治疗前后肌瘤大小、信号等改变, 探讨低场MRI评估HIFU疗效的价值。
1 资料与方法
1.1 研究对象
2012年3月~2013年2月中国人民解放军第五三七医院收治的48例 (单发37例, 多发11例) 经临床诊断为子宫肌瘤患者 (年龄33~53岁, 平均41岁) 的63个病灶, 大小0.7~491.9 cm3, 平均102.6 cm3。临床症状:月经量增多、经期延长24例, 腹痛7例, 下腹坠胀17例。
1.2 HIFU设备及方法
重庆海扶 (HIFU) 技术有限公司JC-200聚焦超声肿瘤治疗系统。治疗前3 d行饮食准备及膀胱训练, 治疗当日术区皮肤脱脂、脱气处理后患者俯卧于治疗床, 插入气囊导尿管控制尿量, 使膀胱适度充盈。超声定位后, 根据肿瘤大小、位置预设好治疗参数 (聚焦超声换能器的工作频率为0.9 MHz、焦距150 mm、声功率350 W) , 声通道避开肠道, 在超声引导下采用由深至浅逐层、由点到线、由线到面、由面到体逐点扫描治疗。经超声监控, 以出现明显灰度变化为治疗终点。每次点照射1~6 s, 重复2~10次, 至靶区出现明显的灰度增加, 然后治疗下一个点, 直至完全覆盖整个计划治疗区。
1.3 MR设备及方法
全部患者于HIFU治疗前1周内, 治疗后24 h、6个月及12个月行MR检查。日立开放式0.3T AIRIS Vento MR扫描仪, 腹部线圈。扫描序列及参数:横轴位、冠状位及矢状位STIR序列, TR 4000 ms, TE 17 ms, TI110 ms, 采集次数 (NSA) 4;横轴位及矢状位T1WI序列, TR 500 ms, TE 18 ms, NSA 1。层厚5 mm, 层间距1 mm;FOV 32~35 cm;矩阵256×192。增强扫描:经肘静脉注射Gd-DTPA, 计量1 mol/kg。注射后行轴位、冠状位及矢状WFS T1WI序列扫描, TR 585 ms, TE 22 ms, NSA 2。
1.4 影像学分析
病灶大小:取显示肿瘤最大径的3个成像层面测量上下径 (a) 、前后径 (b) 及左右径 (c) , 肿瘤体积= (0.5233×a×b×c) cm3[2]。信号特征:以正常子宫肌壁信号为参照, 将肿瘤分为高信号、等信号、低信号及混杂信号。消融率=消融区体积÷肌瘤术前体积×100%;体积缩小率= (术前体积-随访体积) ÷术前体积×100%。
1.5 统计学分析
利用SPSS 16.0行统计分析, 用单因素方差分析 (ANOVA检验) 比较治疗前后肌瘤体积及体积缩小率, 并对消融率与体积缩小率做相关分析, P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 治疗前影像
部位:侧壁28例, 前壁8例, 宫底6例, 后壁5例, 粘膜下1例, 浆膜下1例, 阔韧带14例。边界:边界清楚58例, 边界不清5例。信号特征:T1WI等信号55例, 低信号2例, 高信号1例, 混杂信号5例;T2WI低信号23例, 等信号2例, 高信号23例, 混杂信号15例。
2.2 治疗后影像
消融区T1WI均匀高信号60例, 不均匀高信号3例;T2WI均匀低信号51例, 不均匀高信号9例, 高信号3例。6个月后9个肌瘤T1WI部分或全部等信号;23个T2WI低信号肌瘤出现不同程度高信号, 6个由高信号转为低信号, 2个由低信号转为等信号。12个月后, 显示6个肌瘤T1WI由高信号转为等信号;T2WI显示28个肌瘤中的20个保持原有低信号, 4个T2WI由低信号转为等信号, 4个信号增高, 见图1。
图1后壁子宫肌瘤治疗前后影像 (女, 35岁) 。图1a~d依次为治疗前, 治疗后24 h、6个月及12个月T2WI图像, 肿瘤依次呈低信号、低信号、高信号及高信号;图1e~h为对应的T1WI图像, 肿瘤依次呈等信号及高信号。
2.3 治疗后肌瘤形态学改变
肿瘤的平均体积消融率为74.8% (32.5%~123.5%) 。治疗前后肌瘤体积差异显著 (P<0.05) , 用LSD法进行组间比较, 治疗前与治疗后各阶段的肿瘤体积有差异。体积缩小率随时间推移逐渐增大, 差异显著;组间对比24 h后与另两个时间点的差异显著, 而6个月与12个月无显著差异, 见表1。
2.4 消融率与肿瘤体积缩小率的关系
将HIFU治疗后的体积消融率与6个月及12个月后的体积缩小率进行相关性分析, 消融率仅与后者有直线相关关系, 见表2。
3 讨论
3.1 肿瘤信号强度的转变
HIFU将体外超声波束聚焦于体内肿瘤, 使靶区温度骤然升高并致肿瘤发生蛋白质变性、组织凝固坏死[3,4]。肿瘤水分显著减少, 理论上其T1WI信号会增高, T2WI信号降低, 这是治疗有效的标准[2]。本组19.0% (12/63) 的肌瘤术后T2WI呈高或混杂高信号, T1WI、T2WI信号改变者在6个月为17.5% (11/63) 及55.6% (35/63) , 12个月为24.2% (8/33) 和39.4% (13/33) , 表明肌瘤信号变化并无明显规律, 不能作为随访疗效的唯一指标, 这与有关报道一致[5]。
3.2 肿瘤大小改变及临床转归
本组肌瘤治疗后体积逐渐缩小, 并且6个月与12个月的肿瘤体积差异不明显, 与有关研究结果一致, 提示HIFU治疗后肌瘤坏死吸收需要一定时间, 因此短期内的肿瘤大小并不能作为评价疗效的准确指标。尽管肌瘤体积的缩小程度及患者临床症状的缓解程度与消融区的体积有关[6], 热消融肝癌等恶性肿瘤也要求消融区覆盖并超出肿瘤边界一定范围[7], 但本组消融率与肿瘤近期的体积缩小率并无直线相关性, 提示对于作为良性肿瘤的子宫肌瘤, 一味地追求消融率可能并非必要。有研究指出T2WI低信号的肌瘤预后好, 可作为预测疗效的指标[8]。本组2个复发肌瘤术前呈T2WI高信号, 但因病例数过少, 有待后续进一步研究。
3.3 低场MRI的作用及其评价效能
MRI因其良好的软组织分辨力在诸多评价HIFU疗效的影像学检查中具有一定优势。尽管与高场MRI相比, 其空间分辨率低, 扫描时间长, 但其图像质量能够真实反映子宫肌瘤HIFU后的信号强度、病灶大小及强化程度改变, 可用于评价及随访疗效。且其相对开放的扫描环境提高了患者舒适度, 对于有幽闭恐惧症的患者尤为适用。
3.4 本研究存在的缺陷
本研究缺乏病例对照, 仅以临床表现及症状作为参照标准。由于本组治疗后12个月的MR没有增强扫描, 部分等信号肿瘤的边界显示不清, 影响体积的准确测量。此外因病例数不足, 肌瘤的类型、部位、大小、血供等对预后的影响有待后续进一步增加样本量进行研究。
参考文献
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