加速工況下鋁合金高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體服役性能評(píng)估

吳磊,趙文平,侯亞輝,董長(zhǎng)祿,李志申,果立奎

(中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)中心，河北 唐山 063000)*

目前動(dòng)車(chē)組已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入五級(jí)修階段.檢修初期的制度問(wèn)題逐漸凸顯，車(chē)體的疲勞壽命則是車(chē)體壽命的重要指標(biāo)，指標(biāo)的高低對(duì)動(dòng)車(chē)組經(jīng)濟(jì)性和列車(chē)人員安全性密切相關(guān).研究高速動(dòng)車(chē)組剩余疲勞壽命構(gòu)建完善的評(píng)價(jià)體系，具有國(guó)家戰(zhàn)略意義[1].

英國(guó)的BS7608標(biāo)準(zhǔn)基于名義應(yīng)力法的焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析，工程應(yīng)用性不強(qiáng)，用有限元法計(jì)算應(yīng)力又難保證焊縫上應(yīng)力集中位置應(yīng)力值的準(zhǔn)確性，而焊縫上的應(yīng)力集中對(duì)疲勞壽命的預(yù)測(cè)極其重要.

2007年頒布的美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)中提出焊接結(jié)構(gòu)焊縫的疲勞壽命評(píng)估中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，是一種可以相對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算焊縫疲勞壽命的最新方法.采用網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力MSS計(jì)算方法及一條主S-N曲線(xiàn)預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)焊縫上的疲勞壽命[2].并指出結(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)的焊縫上應(yīng)力，而等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力則是運(yùn)用斷裂力學(xué)原理推導(dǎo)出來(lái)的，對(duì)影響疲勞評(píng)估因素的綜合考慮，其值與疲勞壽命相關(guān)聯(lián).

本文利用主S-N曲線(xiàn)法疲勞壽命評(píng)估平臺(tái)結(jié)合邁納爾損傷累計(jì)法則對(duì)車(chē)體殘余壽命和服役性能進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)驗(yàn)證主S-N曲線(xiàn)進(jìn)行動(dòng)車(chē)組車(chē)體焊接接頭疲勞壽命評(píng)估方法的可靠性和準(zhǔn)確性.

1 車(chē)體設(shè)計(jì)疲勞壽命評(píng)估

利用HyperMesh17建立車(chē)體有限元模型，網(wǎng)格采用四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三角形單元為輔，采用柔性單元模擬車(chē)輛吊掛設(shè)備.根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)體模型進(jìn)行疲勞工況加載，即分別在橫向、縱向、垂向加載±0.15 g加速度載荷.

按照上述加載方式，在車(chē)體上選擇第一主應(yīng)力大的焊接接頭作為可能的危險(xiǎn)焊縫(42條)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算.另外由于車(chē)體還有點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾的運(yùn)動(dòng)形式，所以除了通過(guò)EN12663標(biāo)準(zhǔn)選擇的焊縫外，還分別通過(guò)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)工況(施加單位角加速度)按上述原則選擇可能的危險(xiǎn)焊接接頭進(jìn)行補(bǔ)充(3條).

在門(mén)角附近的3號(hào)焊縫和車(chē)體底架上共選擇了45條焊縫進(jìn)行疲勞壽命的計(jì)算. 表1僅顯示具有危險(xiǎn)性相對(duì)較大的3類(lèi)焊縫信息.

表1 車(chē)體焊接接頭加載的第一主應(yīng)力 MPa

按照EN12663標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鋁合金主S-N曲線(xiàn)進(jìn)行車(chē)體危險(xiǎn)焊縫設(shè)計(jì)壽命的評(píng)估.通過(guò)Ansys計(jì)算得出車(chē)體焊縫各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力，通過(guò)疲勞壽命計(jì)算軟件Fe-Weld，按照EN12663標(biāo)準(zhǔn)中疲勞工況進(jìn)行加載，得到車(chē)體各個(gè)焊縫循環(huán)一千萬(wàn)次的損傷.根據(jù)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行30年的損傷等效于車(chē)體焊縫在EN12663標(biāo)準(zhǔn)中疲勞工況下循環(huán)一千萬(wàn)次的損傷換算得出車(chē)體焊縫的設(shè)計(jì)壽命，其中壽命最小的焊縫在EN12663標(biāo)準(zhǔn)中疲勞工況加載下的設(shè)計(jì)壽命如表2所示，疲勞壽命較短的焊縫為weld3，設(shè)計(jì)壽命為48.24年，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，有較好的抗疲勞強(qiáng)度.按照運(yùn)行了十年計(jì)算，剩余壽命為38.24年[3].

表2 應(yīng)力較大的焊縫的損傷及設(shè)計(jì)壽命

2 實(shí)測(cè)低頻載荷譜

線(xiàn)載荷譜提供了車(chē)輛運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)，勻速運(yùn)行，制動(dòng)和出入庫(kù)四個(gè)工況的加速度載荷譜，列車(chē)1天的運(yùn)行工況載荷譜見(jiàn)圖1所示.按照通常情況規(guī)定樣本每天停靠33個(gè)車(chē)站.下面做簡(jiǎn)要說(shuō)明.載荷譜包含四種工況如表3所示.

表3 載荷譜的四種工況

動(dòng)車(chē)組車(chē)體的剛體模態(tài)頻率均低于2 Hz，因此對(duì)測(cè)試進(jìn)行3Hz的低通濾波，考慮低頻載荷對(duì)車(chē)體疲勞損傷的影響.各個(gè)工況給出的載荷譜分為六個(gè)分量，沉浮、點(diǎn)頭、側(cè)滾、橫擺、搖頭、伸縮加速度.因?yàn)檐?chē)體做剛體運(yùn)動(dòng)的模態(tài)小于3 Hz，獲取在線(xiàn)載荷譜時(shí)將車(chē)體看作剛體，所以將在線(xiàn)載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行3Hz低通濾波[4].

車(chē)體剛體模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 車(chē)體剛體模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 Hz

圖1 列車(chē)一天運(yùn)行工況

因?yàn)檐?chē)體做剛體運(yùn)動(dòng)的模態(tài)小于3 Hz，獲取在線(xiàn)載荷譜時(shí)將車(chē)體看作剛體，所以將在線(xiàn)載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行3 Hz低通濾波.各個(gè)工況中典型的載荷譜如圖2～圖5所示.

圖2 啟動(dòng)工況典型加速度載荷譜

圖3 勻速運(yùn)行工況典型加速度載荷譜

圖4 制動(dòng)工況典型加速度載荷譜

圖5 出入庫(kù)工況典型加速度載荷譜

3 在線(xiàn)載荷譜下車(chē)體剩余壽命計(jì)算

工況約束條件及焊縫位置同第1節(jié).在車(chē)體上選取的45條危險(xiǎn)焊縫中，給出位于門(mén)角的典型焊縫(3號(hào))焊縫在橫移運(yùn)動(dòng)，伸縮運(yùn)動(dòng)，沉浮運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)，搖頭運(yùn)動(dòng)，側(cè)滾運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力.

選取ASME標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的鋁合金的主S-N曲線(xiàn)，并結(jié)合在線(xiàn)載荷譜，在疲勞壽命評(píng)估平臺(tái)Fe-Weld中對(duì)車(chē)體危險(xiǎn)焊縫剩余壽命進(jìn)行評(píng)估[5].結(jié)果顯示，3號(hào)焊縫剩余壽命最短，剩余壽命為39.97年.其余焊縫壽命較長(zhǎng)，有較好的抗疲勞性能.車(chē)體危險(xiǎn)焊縫中最危險(xiǎn)的兩條焊縫在啟動(dòng)、勻速運(yùn)行、制動(dòng)以及出入庫(kù)階段的損傷和剩余壽命如表5所示.

表5 車(chē)體危險(xiǎn)焊縫剩余壽命 年

4 車(chē)體關(guān)鍵典型部件無(wú)損探傷

依據(jù)前述的思路，先對(duì)車(chē)體關(guān)鍵典型部件進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)，獲得初始缺陷形狀與尺寸，再將其等效并仿真模擬成結(jié)構(gòu)中等長(zhǎng)的初始裂紋，就可以進(jìn)行剩余壽命的評(píng)估.考慮到探傷取材的工藝性和可行性，將研究對(duì)象選定為車(chē)體系統(tǒng)關(guān)鍵部件-車(chē)下框架.

焊縫位置如圖6所示.檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6.

圖6 測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)

表6 無(wú)損探傷檢測(cè)數(shù)據(jù) mm

5 線(xiàn)載荷譜下車(chē)體框架剩余壽命計(jì)算

利用HyperMesh17建立車(chē)體有限元模型，網(wǎng)格采用四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，少量三角形單元為輔的整體有限元視圖.依據(jù)有限元仿真結(jié)果在車(chē)體框架上選取危險(xiǎn)焊縫，選取的焊縫在各工況下的第一主應(yīng)力如表7所示.在車(chē)體框架上選取的5條危險(xiǎn)焊縫中，48號(hào)焊縫板厚5 cm，存在沿板厚方向1 mm深的初始裂紋(a/t=0.2).以48號(hào)焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力為例.對(duì)比48號(hào)焊縫無(wú)初始裂紋和有初始裂紋的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖可知，初始裂紋的存在會(huì)導(dǎo)致等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的增大，剩余疲勞壽命減小的試驗(yàn)結(jié)果.

表7 車(chē)體框架焊縫按照EN12663標(biāo)準(zhǔn)加載的第一主應(yīng)力

取鋁合金主S-N曲線(xiàn)方法進(jìn)行車(chē)體框架危險(xiǎn)焊縫剩余壽命的評(píng)估[6].

各條焊縫無(wú)損傷時(shí)在啟動(dòng)、勻速運(yùn)行、制動(dòng)以及出入庫(kù)階段的損傷和運(yùn)行30年的總損傷如表8所示.

含初始裂紋的車(chē)體框架在實(shí)測(cè)載荷譜下運(yùn)行30年損傷最大值出現(xiàn)在48號(hào)焊縫處，損傷為1.24E-05，損傷值較小，有較好的抗疲勞性能.

表8 含損傷車(chē)體框架危險(xiǎn)焊縫剩余壽命

6 結(jié)論

(1)ASME標(biāo)準(zhǔn)中鋁合金的主S-N曲線(xiàn)是準(zhǔn)確的，用來(lái)進(jìn)行焊接接頭疲勞壽命評(píng)估可靠性較高;

(2)根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)中疲勞工況評(píng)估車(chē)體焊接接頭設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度，剩余壽命38.24年，滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組使用壽命30年的標(biāo)準(zhǔn)要求;

(3)在實(shí)測(cè)載荷譜下評(píng)估車(chē)體焊接接頭設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度，剩余壽命39.97年，滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組使用壽命30年的標(biāo)準(zhǔn)要求;

(4)在實(shí)測(cè)載荷譜下評(píng)估車(chē)體框架焊接接頭設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度，疲勞損傷值為1.24E-05，損傷較小.