王帥鈞,方 吉▲,馬 亮,王耀亭

(1.大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014060)

0 引言

由于城軌車有著載客量大、運(yùn)營(yíng)班次頻繁的特點(diǎn),所以其運(yùn)行安全性一直備受關(guān)注。焊接構(gòu)架作為城軌車最重要的承載部件之一,在城軌車運(yùn)行過(guò)程中承受和傳遞車體和輪對(duì)之間各種復(fù)雜交變載荷作用,其線路運(yùn)營(yíng)條件下的疲勞問(wèn)題日益突出。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方面取得了一定的成果,例如JW.Han等人[1]通過(guò)全尺寸臺(tái)架疲勞試驗(yàn)對(duì)城市磁懸浮列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了疲勞壽命分析。KW.Jeon等人[2]基于JIS-E-4207標(biāo)準(zhǔn),采用Goodman-Smith曲線對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。Cera.A等人[3]結(jié)合了Apinis.R關(guān)于復(fù)合材料高頻應(yīng)力疲勞測(cè)試的研究成果[4],對(duì)軌道車輛常見(jiàn)的焊接結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究。孫守光教授等人[5]以高速列車在京滬客運(yùn)專線上的準(zhǔn)靜態(tài)載荷-時(shí)間歷程數(shù)據(jù)所創(chuàng)建的載荷譜為基礎(chǔ),對(duì)焊接構(gòu)架疲勞壽命進(jìn)行了理論計(jì)算。楊廣學(xué)教授等人[6]提出了一種基于隨機(jī)可測(cè)的等效應(yīng)力幅值來(lái)對(duì)高速列車焊接構(gòu)架進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估的新方法,該方法相比于其他方法更具有針對(duì)性。

本論文以某地鐵車動(dòng)力學(xué)性能及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞壽命為研究對(duì)象,基于剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型及實(shí)際運(yùn)行線路統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),參照GB/T5599—2019等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該地鐵車動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了較準(zhǔn)確地考慮到焊縫局部應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)疲勞壽命的影響,建立地鐵車整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,考慮到該城軌車復(fù)雜的線路運(yùn)行條件,為了更好地模擬該車全壽命周期的運(yùn)營(yíng)工況,本文將結(jié)合城軌車實(shí)際運(yùn)行線路統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),編制對(duì)應(yīng)線路工況,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析,基于動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果引入模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)該車的焊接構(gòu)架進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估與分析,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)方案分析與研究。

1 焊接構(gòu)架柔性體模型的建立

根據(jù)該地鐵車的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的幾何模型,采用殼單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散建立到有限元模型中,如圖1所示,其中焊縫局部細(xì)節(jié)如圖2所示。在軸箱彈簧座、空氣彈簧座、減振器安裝座、縱向牽引拉桿座等位置,設(shè)置柔性體的外部接口。采用改進(jìn)后的Craig-Bampton模態(tài)綜合法進(jìn)行求解,部分低階柔性體模態(tài)如表1所示。

表1 柔性體部分低階模態(tài)

圖1 城軌車轉(zhuǎn)向架圖2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫細(xì)節(jié)有限元模型

構(gòu)架模態(tài)分析的目的是為了得到構(gòu)架在受影響的頻率范圍中所對(duì)應(yīng)的模態(tài)特性,預(yù)測(cè)構(gòu)架在特定頻率范圍內(nèi)激振源的作用下導(dǎo)致的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜,它是結(jié)構(gòu)故障診斷和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)必不可少的條件,防止構(gòu)架發(fā)生共振和自激振蕩造成事故[7]。

從上述固有頻率表及固有振型圖中可以得到以下模態(tài)分析結(jié)果:

(1)該城軌車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架第7階振型頻率值為40.63 Hz,振型為構(gòu)架整體扭曲變形,構(gòu)架的最大變形發(fā)生在構(gòu)架前后兩端橫梁與側(cè)梁接角位置,這表明該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有一定的輪軌垂向不平順適應(yīng)能力。

(2)該城軌車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的第8階到第10階的自振頻率分別為72.54 Hz、72.93 Hz、84.41 Hz。振型主要為前后兩端橫梁的彎曲及剪切變形,最大變形位置也主要集中在前后兩端橫梁上,這表明該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有一定的橫向彎曲剛度。

(3)該城軌車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的第11階和第12階自振頻率較大,均為100 Hz以上,振型主要為橫梁及側(cè)梁的橫向、垂向彎曲,最大變形位置主要集中在構(gòu)架中間的四根橫梁上。這表明該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有一定的垂向、橫向剛度。

在剛?cè)狁詈限D(zhuǎn)向架系統(tǒng)中,構(gòu)架為柔性體,其他構(gòu)件如輪對(duì)、軸箱、Z型牽引拉桿等都為剛體。柔性體的模態(tài)主要由約束模態(tài)和界面主模態(tài)經(jīng)過(guò)二次坐標(biāo)變換而來(lái),該綜合模態(tài)既能有效地?cái)M合結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)變形同時(shí)又能較好地?cái)M合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形變[8]。本次柔性體的制作借助 ANSYS軟件與ADAMS之間的接口來(lái)完成。約束模態(tài)取40階,界面主模態(tài)96階(16個(gè)接口,每個(gè)接口6自由度,每個(gè)自由度對(duì)應(yīng)一階界面主模態(tài))。具體制作流程如圖3所示。

圖3 構(gòu)架有限元模型柔性化流程圖

2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?柔性體與剛體通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程(1)來(lái)建立耦合聯(lián)系。

(1)

其中,廣義坐標(biāo)ξ包括:模態(tài)坐標(biāo)q、位移坐標(biāo)x以及歐拉角坐標(biāo)ω;廣義力通過(guò)Q表達(dá);L是拉格朗日函數(shù);λ為待定因子;ψ(ξ,t)為完整約束方程。

地鐵車整車動(dòng)力學(xué)模型由車體和前、后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架三個(gè)子系統(tǒng)組成,其中轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為柔性體,其余除彈性元件外均為剛體模型。該地鐵車動(dòng)力學(xué)模型子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 城軌車子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)向架是地鐵車最重要的部件之一,主要起緩沖與減振作用,轉(zhuǎn)向架剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D5所示。

圖5 城軌車剛?cè)狁詈限D(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)模型

在車體子系統(tǒng)以及前后轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)都建立完成之后,我們便可以在ADAMS/Rail的標(biāo)準(zhǔn)模塊中對(duì)城軌車整車動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行裝配。本次計(jì)算以某地鐵車頭車基本參數(shù)進(jìn)行建模,車體簡(jiǎn)化為剛體,車體與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間通過(guò)空氣彈簧、牽引拉桿、抗側(cè)滾扭桿等子結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。裝配完成后的城軌剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 地鐵車剛?cè)狁詈险噭?dòng)力學(xué)模型

3 線路運(yùn)行工況的模擬

本次計(jì)算以軌道不平順為激振源,直線、曲線線路均施加美國(guó)五級(jí)軌道不平順譜進(jìn)行仿真。由于該車設(shè)計(jì)最高時(shí)速為120 km/h,而實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度以100～60 km/h為主,所以分別設(shè)置120 km/h、100 km/h、80 km/h、60 km/h四種速度工況進(jìn)行仿真分析。首先對(duì)車體的振動(dòng)加速度進(jìn)行分析并對(duì)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖7-圖11),然后分析了運(yùn)行速度對(duì)脫軌系數(shù)及減載率的影響(圖12、圖13)。結(jié)果顯示:隨著列車速度的提高,舒適性降低,且均小于2.5,屬于優(yōu)級(jí)別,隨著城軌車速度的提升,脫軌系數(shù)也隨之增大,且均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 車體垂向振動(dòng)加速度時(shí)間歷程(120 km/h)

圖8 車體垂向振動(dòng)加速度幅頻圖(120 km/h)

圖9 車體橫向振動(dòng)加速度時(shí)間歷程(120 km/h)

圖10 車體橫向振動(dòng)加速度幅頻圖(120 km/h)

圖11 舒適性評(píng)價(jià)圖12 脫軌系數(shù)趨勢(shì)圖

圖13 輪重減載率趨勢(shì)圖

4 關(guān)鍵焊縫疲勞分析

4.1 模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是在網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法與模態(tài)綜合法的基礎(chǔ)上提出的[8],可以適用于基于剛?cè)狁詈蠒r(shí)域動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的焊縫振動(dòng)疲勞評(píng)估,其主要實(shí)施流程如圖14所示。

圖14 基于模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的疲勞壽命預(yù)測(cè)流程

4.2 關(guān)鍵焊縫的定義

由于該焊接結(jié)構(gòu)的焊縫比較多,且均成對(duì)稱分布,為了減少數(shù)據(jù)量,從中選取了8條具有代表性的關(guān)鍵焊線(圖15)進(jìn)行疲勞評(píng)估。

圖15 關(guān)鍵焊縫定義

4.3 焊縫疲勞評(píng)估

基于動(dòng)力學(xué)仿真獲得的柔性體模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程,采用模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法求解來(lái)獲得焊縫上焊趾處等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力,如圖16所示,圖17則為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力雨流計(jì)數(shù)結(jié)果。

圖16 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)間歷程(曲線R280)

圖17 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力雨流計(jì)數(shù)(曲線R280)

將各個(gè)工況計(jì)算獲得的損傷按線路占比進(jìn)行損傷累加,通過(guò)折算獲得總壽命里程(表2)。

表2 構(gòu)架關(guān)鍵焊縫疲勞評(píng)估結(jié)果

根據(jù)表2可以看出,各焊縫的疲勞壽命均滿足1200萬(wàn)公里的要求,但是由于焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞特性的離散型,一般需要留有一定安全余量,一般要求累計(jì)損傷小于0.5,而焊縫8的抗疲勞能力未達(dá)到要求。因此需要針對(duì)該焊縫的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從而提高焊縫疲勞壽命。

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

由于該地鐵車的線路以曲線為主,列車通過(guò)曲線時(shí)速度較快,而空氣彈簧的橫向剛度比較小,因此車體產(chǎn)生的橫向位移較大,橫向止檔座承受一定載荷作用,導(dǎo)致其焊縫壽命降低。提高焊縫抗疲勞性能主要有以下幾個(gè)途徑:1)焊縫位置避開應(yīng)力集中;2)緩解焊縫局部應(yīng)力集中; 3)降低焊縫結(jié)構(gòu)承受的載荷。將安裝座改成其他連接方式,結(jié)構(gòu)改動(dòng)太大,成本會(huì)提高;延長(zhǎng)止檔座筋板的長(zhǎng)度可以達(dá)到緩解應(yīng)力集中的效果,基于此提出了改進(jìn)方案(圖18)。

圖18 焊縫8局部改進(jìn)方案

按照上述改進(jìn)方案,基于相同的方法進(jìn)行仿真計(jì)算并給出疲勞損傷評(píng)估對(duì)比曲線,如圖19所示,可以看出構(gòu)架橫向止檔座處關(guān)鍵焊縫的改進(jìn)方案能有效提高焊縫抗疲勞能力。

圖19 焊縫8改進(jìn)前后損傷對(duì)比

6 結(jié)論

本文以某地鐵車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞壽命為研究對(duì)象,首先建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型對(duì)地鐵車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估;然后,采用模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了疲勞壽命分析;最后,根據(jù)疲勞分析結(jié)果,對(duì)構(gòu)架關(guān)鍵焊縫進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過(guò)本次研究,得出如下結(jié)論:

(1)動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)構(gòu)顯示:該車動(dòng)力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB/T5599—2019要求。

(2)由于該地鐵車的運(yùn)營(yíng)線路以曲線為主,且通過(guò)曲線時(shí)速度較快,而空氣彈簧的橫向剛度比較小,因此車體產(chǎn)生的橫向位移較大,橫向止檔座承受一定載荷作用,導(dǎo)致其焊縫壽命降低。

(3)構(gòu)架橫向止檔座處關(guān)鍵焊縫的改進(jìn)方案能使得焊縫局部剛度更協(xié)調(diào),從而減小焊縫局部應(yīng)力集中,有效提高焊縫抗疲勞能力,且結(jié)構(gòu)改變小、實(shí)施方便,說(shuō)明焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,保障焊縫局部的剛度協(xié)調(diào)非常重要。