基于名義應(yīng)力法的動(dòng)車(chē)組車(chē)體凈水箱吊裝部件疲勞強(qiáng)度分析

馬紀(jì)軍，楊 帥，于金朋，宿 崇

(1.中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000;2.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

車(chē)體懸掛部件是確保動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行的重要功能部件，其運(yùn)行可靠性是動(dòng)車(chē)組安全運(yùn)營(yíng)的重要保障.動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行時(shí)，由于軌道不平順、車(chē)體側(cè)風(fēng)的影響而產(chǎn)生多種常態(tài)和非常態(tài)的運(yùn)行工況，使得車(chē)體懸掛部件產(chǎn)生各階模態(tài)耦合振動(dòng)［1-4］，導(dǎo)致懸掛部件薄弱部位產(chǎn)生振動(dòng)疲勞裂紋.統(tǒng)計(jì)資料表明，結(jié)構(gòu)的破壞50% ～90%是由疲勞引起的，而引起疲勞破壞的載荷通常小于根據(jù)靜強(qiáng)度分析估算出來(lái)的安全載荷，這使得疲勞破壞具有一定的隱藏性，往往造成災(zāi)難性事故的發(fā)生.動(dòng)車(chē)組車(chē)體懸掛部件的疲勞可靠性是目前高速鐵路急需解決的重要課題.因此，研究車(chē)體懸掛部件的振動(dòng)機(jī)制機(jī)理及疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，為部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，服役管理提供理論依據(jù)具有重要的工程意義.本文以某型動(dòng)車(chē)組車(chē)頂凈水箱吊裝組件為研究對(duì)象，采用有限元法分析了該結(jié)構(gòu)在工作載荷下的振動(dòng)響應(yīng)，并分別采用計(jì)算焊縫疲勞評(píng)估點(diǎn)壽命與對(duì)整條焊縫進(jìn)行壽命計(jì)算兩種方式對(duì)吊座焊縫的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估.

1 凈水箱吊裝結(jié)構(gòu)及載荷工況分析

某型動(dòng)車(chē)組凈水箱及其吊裝組件如圖1所示.該凈水箱安裝于車(chē)頂區(qū)域，用于給各用水點(diǎn)供水.凈水箱通過(guò)過(guò)渡梁組件吊裝在車(chē)體C型槽上，水箱支架和過(guò)渡梁之間通過(guò)螺栓連接.水箱自重為100 kg，裝滿(mǎn)水后的總重為340 kg.動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行時(shí)，水箱隨車(chē)體產(chǎn)生振動(dòng)，這將使吊裝組件承受較大的振動(dòng)沖擊載荷.因此在吊裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，以保證結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性.根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車(chē)體附加設(shè)備載荷的取值規(guī)范確定凈水箱的工作載荷工況，如表1所示.

圖1 凈水箱及其吊裝組件

表1 工作載荷計(jì)算組合工況 g

2 基于BS標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估

2.1 BS7608 標(biāo)準(zhǔn)

BS(7608:1993)標(biāo)準(zhǔn)是英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)制定的《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)估實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)》(Code of practice for Fatigue design and assessment of steel structures)，適用于屈服強(qiáng)度700 MPa以下的結(jié)構(gòu)鋼，包括低合金結(jié)構(gòu)鋼、鐵素體不銹鋼，該標(biāo)準(zhǔn)將大量焊接結(jié)構(gòu)中提煉出的焊接接頭細(xì)節(jié)進(jìn)行了分級(jí)歸類(lèi)［5］.標(biāo)準(zhǔn)在評(píng)定焊接接頭疲勞特性時(shí)，采用應(yīng)力變化范圍來(lái)描述S-N曲線，同時(shí)考慮了低于疲勞極限的小載荷應(yīng)力范圍對(duì)累積損傷的貢獻(xiàn)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中其S-N曲線是無(wú)截止線的雙斜率曲線，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)從N0=107，應(yīng)力范圍為S0，BS標(biāo)準(zhǔn)中典型的S-N曲線，如圖2所示.

圖2 BS標(biāo)準(zhǔn)S－N曲線

在不變載荷情況下，對(duì)于每一等級(jí)接頭，所施加載荷范圍Sr與達(dá)到疲勞的循環(huán)數(shù)N之間的關(guān)系如下［5］:

其中，Co為與平均曲線Sr-N相關(guān)的常數(shù);d為低于均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)量;σ為N求對(duì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差;m為Sr的對(duì)數(shù)-N的對(duì)數(shù)曲線的反向斜率.

BS標(biāo)準(zhǔn)的壽命預(yù)測(cè)算法基于名義應(yīng)力法和Miner損傷累積理論.應(yīng)力范圍為Sr的應(yīng)力循環(huán)引起的疲勞損傷定義為［6］

損傷比

損傷比

式中，n為待評(píng)估點(diǎn)應(yīng)力變化范圍Sr發(fā)生的次數(shù).如果累計(jì)損傷

則認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞.

2.2 疲勞評(píng)估點(diǎn)的確定及壽命評(píng)估

根據(jù)表1所示載荷工況，采用Ansys軟件對(duì)吊裝結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明吊裝組件的中間吊座承受大部分來(lái)至于凈水箱的沖擊載荷.因此選擇中間吊座的計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估.根據(jù)有限元分析結(jié)果，確定10條焊縫疲勞評(píng)估點(diǎn)的位置，如圖3所示.為避免焊趾應(yīng)力集中對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，選取了臨近焊趾的節(jié)點(diǎn)作為評(píng)估點(diǎn).

圖3 中間吊座焊縫疲勞評(píng)估點(diǎn)位置

吊座焊接結(jié)構(gòu)均為T(mén)型接頭角焊縫，對(duì)照BS標(biāo)準(zhǔn)，確定疲勞強(qiáng)度級(jí)別為F2.根據(jù)各工況下結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，提取焊縫評(píng)估點(diǎn)的最大主應(yīng)力，得出最大應(yīng)力范圍，然后根據(jù)式(1)計(jì)算出評(píng)估點(diǎn)的疲勞壽命，如表2所示.計(jì)算結(jié)果表明焊縫1、2壽命相對(duì)較低，但仍然大于1×107，這表明該結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求.

表2 焊縫的疲勞壽命

3 吊裝結(jié)構(gòu)疲勞壽命仿真分析

3.1 計(jì)算模型

仍然選擇中間吊座進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估.與母材相比，焊縫部位更易于發(fā)生疲勞破壞，因此僅對(duì)吊座的焊縫進(jìn)行壽命計(jì)算.為消除焊趾處應(yīng)力集中的影響，取距離焊趾0.5 t=2 mm(t為板厚度)處單元為疲勞評(píng)估單元，如圖4所示.

圖4 焊縫疲勞評(píng)估單元

3.2 計(jì)算載荷

吊座通過(guò)螺栓與車(chē)體C型槽連接，因此工作狀態(tài)下的螺栓受力可作為吊裝結(jié)構(gòu)的計(jì)算載荷.表3所示為根據(jù)靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果提取的吊座兩螺栓孔處約束節(jié)點(diǎn)受力.假定工作狀態(tài)下各工況出現(xiàn)的頻率相同，則根據(jù)表3可構(gòu)造出吊座的載荷歷程，如圖5所示.

表3 工作載荷下中間吊座節(jié)點(diǎn)約束力 N

圖5 吊座載荷歷程

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

基于各工況下吊座結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，采用Fe-safe疲勞分析軟件計(jì)算吊座結(jié)構(gòu)的疲勞壽命.焊縫的疲勞特性采用軟件內(nèi)置的BS5400標(biāo)準(zhǔn)，焊縫級(jí)別為F2，其中d=2.

圖6 焊縫1與焊縫2疲勞壽命分布

計(jì)算結(jié)果表明，焊縫1、焊縫2的壽命最短，然后是焊縫3～焊縫6，焊縫7～焊縫10壽命最大，這一規(guī)律與上述疲勞評(píng)估結(jié)果基本一致;圖6所示為焊縫1和焊縫2疲勞壽命分布云圖.由圖可知焊縫最易發(fā)生疲勞破壞的位置位于端部，且焊縫位于筋板表面的焊趾壽命低于位于主支撐板表面的焊趾壽命.焊縫最小壽命為106.724=5.3×106，可見(jiàn)，疲勞仿真壽命計(jì)算結(jié)果與上述BS標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估結(jié)果存在有一定的差別，分析原因:一是由于采用BS標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估時(shí)，僅選取了單個(gè)焊趾評(píng)估點(diǎn)，而疲勞仿真計(jì)算了整個(gè)焊趾的壽命;二是采用BS標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估時(shí)，僅選擇了應(yīng)力范圍變化最大的兩個(gè)工況計(jì)算，而上述疲勞仿真則是考慮到8個(gè)載荷工況出現(xiàn)頻率相同的情況下，構(gòu)造了載荷歷程.

4 結(jié)論

根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車(chē)體附加設(shè)備載荷取值規(guī)范確定了某型動(dòng)車(chē)組凈水箱吊裝組件的工作載荷工況，采用有限元法計(jì)算了各載荷工況下凈水箱吊裝結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng).根據(jù)焊趾部位應(yīng)力分布，確定了焊縫的疲勞評(píng)估點(diǎn)及評(píng)估單元，采用計(jì)算焊縫疲勞評(píng)估點(diǎn)壽命與對(duì)整條焊縫評(píng)估單元進(jìn)行壽命計(jì)算兩種方法對(duì)吊座焊縫的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估.兩種方法分析結(jié)果均表明:焊縫1與焊縫2壽命最低，是結(jié)構(gòu)最易發(fā)生疲勞破壞的位置;焊縫位于筋板表面的焊趾更易于發(fā)生疲勞破壞.

［1］康洪軍，曾京，張衛(wèi)華，等.高速綜合檢測(cè)列車(chē)車(chē)體與車(chē)下設(shè)備耦合振動(dòng)分析［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35(6):62-66.

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［4］李田，張繼業(yè)，張衛(wèi)華.橫風(fēng)下高速列車(chē)通過(guò)擋風(fēng)墻動(dòng)力學(xué)性能［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2012，34(7):30-35.

［5］英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).BS7608-1993鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)使用規(guī)范［S］.英國(guó):［s.n.］，1993.

［6］楊爽.CRH3型高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架抗疲勞能力研究［D］.大連:大連交通大學(xué)，2009.