高月華，付占起，兆文忠

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著列車速度的不斷提高，高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)已成為列車空氣動(dòng)力學(xué)的重要組成部分.高速列車在隧道中運(yùn)行和明線運(yùn)行相比產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)問題更加復(fù)雜.列車穿越隧道時(shí)受到的氣動(dòng)阻力很大程度上取決于隧道內(nèi)的壓力波.當(dāng)高速列車進(jìn)入隧道時(shí)，隧道內(nèi)的空氣壓力在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)，壓縮波在車頭處形成，并在隧道內(nèi)以近似聲速的速度傳播.一部分壓縮波在到達(dá)隧道出口時(shí)又以膨脹波形式反射回來.壓力波在隧道出口和進(jìn)口之間不斷反射，從而在隧道內(nèi)部形成了復(fù)雜的相互作用.這些壓力波造成了大的壓力瞬變，形成的脈動(dòng)載荷作用在列車上對(duì)車體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵焊接部位可能造成疲勞隱患.然而，就氣動(dòng)載荷作用下對(duì)車體焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究則很少有文獻(xiàn)提到［1-3］.

我國(guó)現(xiàn)有鐵路線上存在眾多的隧道，在鐵道部對(duì)現(xiàn)有鐵路線進(jìn)行多次大提速的背景下，如何應(yīng)用新的技術(shù)手段準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)隧道內(nèi)壓力變化，對(duì)改善列車和隧道的設(shè)計(jì)有很大幫助.本文就此進(jìn)行了研究，首先對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性.并把數(shù)值計(jì)算的結(jié)果通過流固耦合技術(shù)加載到某車體焊接結(jié)構(gòu)的有限元模型上，最后對(duì)耦合后的有限元模型進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè).

1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

建造一個(gè)滿足列車和隧道相互作用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備非常困難和昂貴，所以通過計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法研究隧道內(nèi)的空氣動(dòng)力效應(yīng)非常有價(jià)值.為了驗(yàn)證 SC/Tetra軟件在高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)模擬仿真中的適用性和可靠性，本文進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.相關(guān)對(duì)比數(shù)據(jù)見表1.

表1 實(shí)車測(cè)試和計(jì)算模型相關(guān)數(shù)據(jù)比較

除此之外其他主要計(jì)算參數(shù)基本相同.其對(duì)比的波形圖如圖1～圖4.

圖1 計(jì)算模型3車(尾車)中部側(cè)裙板測(cè)點(diǎn)壓力波形圖

圖2 實(shí)車8車中部側(cè)裙板測(cè)點(diǎn)壓力波形圖

圖3 計(jì)算模型中車中部底板測(cè)點(diǎn)壓力波形圖

圖4 實(shí)車7車中部底板測(cè)點(diǎn)壓力波形圖

從計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)來看，二者基本一致.計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間還存在著偏差.這可能是由于計(jì)算模型對(duì)列車、隧道和地面進(jìn)行了簡(jiǎn)化;列車和隧道長(zhǎng)度與實(shí)際不符等原因引起的.總體來看，計(jì)算模型是可以接受的，計(jì)算結(jié)果較為可信［3-4］.

2 焊縫疲勞評(píng)估

高速列車通過隧道時(shí)所受表面壓力的變化是十分復(fù)雜的，模擬仿真計(jì)算中表面壓力的加載往往都是近似值，而無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際計(jì)算載荷的加載.本文以某車體焊接結(jié)構(gòu)為耦合對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際計(jì)算載荷與有限元模型的耦合.并對(duì)耦合后的該車體焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算.計(jì)算過程中采用了有限元分析及處理軟件HYPERMESH和ANSYS.

2.1 強(qiáng)度計(jì)算

首先利用HYPERMESH軟件對(duì)某車體焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模型的建立.有限元模型建立的過程中主要采用4節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元和8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬主體結(jié)構(gòu)，用梁?jiǎn)卧M螺栓連接結(jié)構(gòu)，用質(zhì)量元來模擬附加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及分布位置，同時(shí)通過RIGID單元或RBE3單元與相鄰的有限元結(jié)構(gòu)連接.殼單元的尺寸(長(zhǎng)度)在大多數(shù)的結(jié)構(gòu)部件中的典型長(zhǎng)度約為10 mm，而在更多的細(xì)化區(qū)域則要小一些，有的地方的單元長(zhǎng)度約為3～5 mm.下面將該車體焊接結(jié)構(gòu)有限元模型中用到的單元類型在表2中列出.

表2 有限元模型單元使用情況列表

本文對(duì)某車體焊接結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)專線上穿越其中一座長(zhǎng)500 m的隧道后焊縫疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè).根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，列車通過此隧道所用時(shí)間為5 s.在已計(jì)算出該結(jié)構(gòu)表面所受壓力的基礎(chǔ)上，把列車從進(jìn)隧道到出隧道所用的時(shí)間分為N等分，把每個(gè)等分點(diǎn)時(shí)間上的壓力加載到有限元模型上.然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行N次強(qiáng)度計(jì)算，得到N組離散的等分點(diǎn)上的動(dòng)應(yīng)力數(shù)值.利用插值方法得到5 s內(nèi)連續(xù)的動(dòng)應(yīng)力—時(shí)間歷程.

氣動(dòng)載荷計(jì)算中輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為0.08 s，在壓力加載的有限元模型上選取部分特殊位置單元進(jìn)行壓力統(tǒng)計(jì)，得出某車體焊接結(jié)構(gòu)通過隧道時(shí)的壓力變化波形圖如圖5.

圖5 某車體結(jié)構(gòu)通過隧道所受壓力的波形圖

從波形圖上來看最大壓力時(shí)刻為2.16 s.根據(jù)壓力波形圖利用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算的時(shí)刻點(diǎn)分別為2.16 s和3.44 s.考慮機(jī)械振動(dòng)載荷后計(jì)算工況為:X方向0.4G;Y方向0.3G;Z方向0.3G(G為重力加速度)及所提取的氣動(dòng)載荷.得出兩時(shí)刻的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果.

2.2 焊縫疲勞壽命計(jì)算

焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測(cè)多年來一直是一個(gè)世界范圍的難題.就當(dāng)前普遍采用的疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)而言有:①英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(BS)②歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)③國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(IIW)④日本JIS標(biāo)準(zhǔn)⑤美國(guó)AAR標(biāo)準(zhǔn).這些標(biāo)準(zhǔn)至少有這樣兩個(gè)局限:

(1)S-N曲線問題

這些標(biāo)準(zhǔn)提供的S-N曲線是有限的，而工程實(shí)際問題中的焊接街頭要么幾何形狀復(fù)雜，要么承受的外載荷復(fù)雜，或者兩者復(fù)雜性同時(shí)存在.因此這些標(biāo)準(zhǔn)中有限數(shù)量的S-N曲線與工程中千變?nèi)f化的要求的沖突不可避免.

(2)應(yīng)力集中如何準(zhǔn)確獲得的問題

當(dāng)使用這些用名義應(yīng)力定義的S-N曲線時(shí)，由于工程問題的復(fù)雜性，用材料力學(xué)的計(jì)算公式不可能獲得S-N曲線所用的名義應(yīng)力，此時(shí)只能采用有限元法計(jì)算，而采用有限元法時(shí)，不僅網(wǎng)格劃分的大小對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有較大影響，而且取網(wǎng)格上哪一點(diǎn)的應(yīng)力參與壽命計(jì)算，也存在不唯一性.于是，將面臨一個(gè)新的問題，即，應(yīng)力類型﹑網(wǎng)格大小與疲勞評(píng)估的置信度問題［5］.

針對(duì)上述局限性，美國(guó)新奧爾良大學(xué)Pingsha Dong博士基于力學(xué)基本原理及大量焊接疲勞試驗(yàn)，發(fā)明的一種可以直接計(jì)算焊縫疲勞壽命的《網(wǎng)格不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法及主 S-N曲線法》最新方法.2007年美國(guó)ASME將其列為焊接結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱為 ASME(2007).該方法采用網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法(Mesh-insensitive Structural Stress Method)計(jì)算出空間任意走向的焊縫應(yīng)力集中.然后基于他的一條主 S-N曲線(Master S-N)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算該焊縫(含焊趾與焊根)的疲勞壽命，很好地解決了名義應(yīng)力法所遇到的困難.還要指出，結(jié)構(gòu)應(yīng)力是由外力引起的，反映了與應(yīng)力集中相關(guān)的焊縫上的應(yīng)力.基于美國(guó)ASME(2007)標(biāo)準(zhǔn)，與焊接接頭具體類型無關(guān)的預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命的壽命計(jì)算公式為:

其中等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算公式為:

式(2)中Δσs為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，反映了應(yīng)力集中的影響;t反映了板厚度的影響，I(r)反映了載荷模式的影響;m=3.6，式(1)中Cd及h為主S-N曲線試驗(yàn)常數(shù)，由ASME標(biāo)準(zhǔn)提供，N為循環(huán)次數(shù)［6-7］.

在HYPERMESH中對(duì)焊縫進(jìn)行定義，以其中一條關(guān)鍵焊縫為例進(jìn)行詳細(xì)說明.焊縫定義如圖6.

圖6 焊縫定義

表3 焊縫各節(jié)點(diǎn)的合成損傷值

采用 FE-WELD軟件對(duì)焊縫疲勞進(jìn)行評(píng)估，某車體焊接結(jié)構(gòu)通過500 m隧道的疲勞損傷結(jié)果如表3.

2.16 s時(shí)刻所提取的表面壓力較大，對(duì)焊縫的疲勞損傷值也較大.從表中可以看出節(jié)點(diǎn)號(hào)為95420的疲勞損傷值最大為5.87E-06.根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的損傷值更能直觀的判斷出焊縫的危險(xiǎn)區(qū)域.從而可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)焊縫的開裂位置.

3 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了SC/Tetra軟件在高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)模擬仿真中的適用性和可靠性;

(2)實(shí)現(xiàn)了流固耦合.把分布不均的瞬態(tài)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到相應(yīng)的計(jì)算模塊中進(jìn)行分析，使其模擬仿真的結(jié)果更加精確，更加接近真實(shí)情況;

(3)采用結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSYS和焊縫疲勞分析軟件FE-WELD對(duì)某車體焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè).為高速列車的安全運(yùn)營(yíng)提供一定的參考.

［1］溫竹茵，周質(zhì)炎.高速列車隧道的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及解決措施［C］.2003上海國(guó)際隧道－L程研討會(huì)論文集，2003.

［2］關(guān)永久.高速列車在隧道內(nèi)會(huì)車過程的氣動(dòng)特性研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.

［3］趙強(qiáng).高速列車隧道運(yùn)行的氣動(dòng)特性研究［D］.大連:大連交通大學(xué)，2010.

［4］西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.CRH3-60C設(shè)備艙空氣壓力試驗(yàn)報(bào)告［R］.成都:西南交通大學(xué)，2010.

［5］王悅東.基于主S-N曲線的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)［D］.大連:大連交通大學(xué)，2011.

［6］王立航，方吉，馬紀(jì)軍.鋁合金車體疲勞壽命預(yù)測(cè)新方法及其應(yīng)用［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(5):9-11.

［7］HONG TAE KANG ，PINGSHA DONG，HONG J K.Fatigue analysis of spot welds using a mesh-insensitive structural stress approach［J］.International Journal of Fatigue，2007(29):1546-1553.