高速動車組設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)抗疲勞性能研究

宿崇，楊永勤，馬紀(jì)軍，李明高，米小珍

(1.中國北車集團 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000;2.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧大連116028)*

0 引言

車下設(shè)備艙是高速動車組車體的主要組成部分，在改善動車組空氣動力學(xué)外形，保護車下懸掛設(shè)備方面起著關(guān)鍵作用，其結(jié)構(gòu)可靠性對動車組的安全運營至關(guān)重要.動車組高速運行時，在軌道不平順、車體側(cè)風(fēng)以及車下懸掛設(shè)備振動等的激勵下，設(shè)備艙單元產(chǎn)生各階模態(tài)耦合振動［1-4］.此外，動車組高速運行時產(chǎn)生的強側(cè)風(fēng)會直接作用于設(shè)備艙部件，氣壓值高達上千兆帕.振動沖擊和氣動載荷的雙重作用將對設(shè)備艙及相關(guān)聯(lián)接部件造成損害，為列車的安全運營帶來隱患［5-8］.因此有必要研究車下設(shè)備艙部件結(jié)構(gòu)的強度特性，進而從結(jié)構(gòu)上采取相關(guān)解決措施來提高設(shè)備艙部件的結(jié)構(gòu)強度、預(yù)防疲勞事故的發(fā)生.

本文以某型高速動車組車下設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)為研究對象，采用有限元法分析了兩種設(shè)計方案支架結(jié)構(gòu)的強度特性.在實際運營線路條件下測試了兩種設(shè)計方案支架結(jié)構(gòu)焊縫關(guān)鍵部位的動應(yīng)力，并對兩種支架結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能進行了評估.

1 設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)與載荷工況分析

設(shè)備艙模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由裙板、裙板吊掛、底板和設(shè)備艙支架組成.其中設(shè)備艙支架為鋁合金焊接和螺栓聯(lián)接件，由L型折彎鋁板、L型箱梁、橫梁以及加強筋組成.

圖1 設(shè)備艙模塊結(jié)構(gòu)

設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計方案如圖2所示.方案一為原設(shè)計方案(圖2(a))，在動力特性試驗中發(fā)現(xiàn)上筋板與L型板聯(lián)接部位應(yīng)力幅值偏大，因此提出了改進方案二，改進結(jié)構(gòu)(圖2(b)).

圖2 設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)

在運營過程中設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)主要受到振動沖擊和氣動載荷影響，其中振動沖擊直接作用在設(shè)備艙支架和與之相連的裙板、設(shè)備艙底板上，而氣動載荷則直接作用在裙板和底板上，通過聯(lián)接吊掛傳遞到支架上.試驗研究表明，氣動載荷對設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)的影響遠大于振動沖擊載荷，是支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要載荷因素，因此在進行結(jié)構(gòu)強度仿真時只需確定氣動載荷工況.

動車組高速運行時，車體四圍產(chǎn)生復(fù)雜的強氣流場，實際線路測試表明，動車時速達300～350 km/h時，氣動壓力差高達3～4 kPa.依據(jù)《EN12663鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》及參照車下設(shè)備艙表面壓力測試結(jié)果，確定了各載荷工況，如表1所示.

表1 氣動載荷工況

2 設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)靜力仿真

采用有限元分析及處理軟件ANSYS和HYPERMESH建立裙板支架結(jié)構(gòu)有限元模型.結(jié)構(gòu)模型主要采用殼單元Shell181建立，用梁單元模擬螺栓，并通過RBE3單元建立螺栓聯(lián)接關(guān)系，裙板鎖采用RIGID單元建立聯(lián)接關(guān)系，但允許繞鎖軸線的轉(zhuǎn)動自由度.

兩種設(shè)計方案支架結(jié)構(gòu)焊縫處應(yīng)力最大值情況如表2所示.分析表明:焊縫處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力明顯大于非焊縫處，最大應(yīng)力發(fā)生在上焊縫點或L角端焊縫點處;裙板氣動載荷對結(jié)構(gòu)焊點應(yīng)力的影響均大于底板氣動載荷;方案二上筋板與L型板聯(lián)接部位上焊縫角端處的應(yīng)力情況得到明顯改善，上筋板與L型板連接部位下焊縫角端、橫梁筋板與安裝座連接焊縫以及橫梁與安裝座連接焊縫等部位的應(yīng)力與方案一基本相同.

表2 兩種方案支架結(jié)構(gòu)焊縫處應(yīng)力最大值 MPa

3 設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)動力特性試驗

3.1 試驗方案

根據(jù)設(shè)備艙支架的結(jié)構(gòu)特征并結(jié)合上述仿真分析，確定在支架的上筋板與L型板聯(lián)接焊縫部位和橫梁筋板與安裝板聯(lián)接焊縫部位布置應(yīng)變片.在方案一支架上布置測點A1和A2，在方案二支架上布置測點B1、B2、B3和B4，具體布片位置如圖3所示.

圖3 兩種方案支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力測點位置

測試試驗在某型動車組上進行，測試?yán)锍碳s為5 000 km，最高運行速度達到330 km/h.動應(yīng)力測試采用120 Ω箔式應(yīng)變片，應(yīng)變片柵基長度為5 mm.試驗時將EDS-400A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固定到車下設(shè)備艙內(nèi)部進行動應(yīng)力的數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為500 Hz.根據(jù)動車組結(jié)構(gòu)動應(yīng)力的特點，該采樣頻率足以保證采樣數(shù)據(jù)的真實性.通過全程連續(xù)采集，能夠保證測試數(shù)據(jù)的完備性.

3.2 試驗結(jié)果分析

采用雨流計數(shù)法對采集到的動應(yīng)力數(shù)據(jù)進行循環(huán)計數(shù)處理，編制了各測點的八級應(yīng)力譜.通過雨流處理得到的疲勞應(yīng)力譜為非對稱應(yīng)力譜，而S-N關(guān)系曲線適用于對稱循環(huán)應(yīng)力譜，因此需要對應(yīng)力譜進行修正.本文采用Goodman修正公式將非對稱疲勞應(yīng)力譜對稱化，修正公式為

式中，σ-1ai為修正應(yīng)力幅;σai為初始應(yīng)力幅;σavi為應(yīng)力均值;σb為材料強度極限.

采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA針對變幅加載條件所推薦的S-N曲線形式計算各測點的等效應(yīng)力幅，等效應(yīng)力幅的計算公式為

式中，L1為實測應(yīng)力譜的運行公里數(shù);σ-1ai為各級應(yīng)力幅;ni為各級應(yīng)力幅值的循環(huán)次數(shù);m為SN曲線參數(shù);N=107，L=1 200萬km.

各測點的等效應(yīng)力幅計算結(jié)果如表3所示.可見方案二支架結(jié)構(gòu)上筋板與L型板聯(lián)接部位的等效應(yīng)力幅明顯降低，橫梁筋板與安裝座聯(lián)接部位的等效應(yīng)力也有所改善.由此說明方案二支架結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能優(yōu)于方案一.

表3 各測點等效應(yīng)力幅

4 結(jié)論

本文采用有限元仿真和動應(yīng)力測試試驗的方法，分析了某型高速動車組兩種設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)在氣動載荷作用下的結(jié)構(gòu)強度特征與抗疲勞性能.靜力仿真結(jié)果表明，裙板氣動載荷對支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響大于底板氣動載荷;方案二支架改進結(jié)構(gòu)在上筋板與L型板聯(lián)接部位上焊縫角端處的應(yīng)力情況得到明顯改善.動力特性試驗表明，方案二支架結(jié)構(gòu)上筋板與L型板聯(lián)接部位的等效應(yīng)力幅明顯降低，橫梁筋板與安裝座聯(lián)接部位的等效應(yīng)力也有所改善.由此說明方案二支架結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能優(yōu)于方案一.

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