基于有限元的動車組車體結(jié)構(gòu)疲勞強度分析方法研究

韓 威，楊 杏，李 剛，馬文瑞

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南 714000； 2.蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；3.中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063000)

0 引 言

隨著動車組運行時速的提升，對車輛運行過程中的可靠性要求越來越高。車體作為動車組結(jié)構(gòu)的核心部位，其強度是否符合要求直接關(guān)系著整個動車組的運行安全。

動車組在運行過程中其車體所承受的動態(tài)載荷復(fù)雜多變，保證動車組安全運行的關(guān)鍵是其車體結(jié)構(gòu)疲勞強度滿足設(shè)計要求。當動車組運行時速在200 km以上時，車體結(jié)構(gòu)疲勞強度受機械載荷影響比重變得越來越小，受氣動交變載荷的影響越來越大[1]。筆者通過對機械、氣動交變載荷影響下的動車組車體結(jié)構(gòu)強度的研究得出車體強度滿足設(shè)計要求具有非常重要的意義。

1 頭車車體的結(jié)構(gòu)及其有限元模型

1.1 車體的幾何模型

CRH3型動車組是由唐山軌道客車有限公司研發(fā)制造，其車體結(jié)構(gòu)為焊接鋁合金型材結(jié)構(gòu)，型材厚度最低處約為1.5 mm，且長度最長可達十幾米。在對車體進行有限元分析網(wǎng)格劃分時需要將車體的每一部分劃分為一個單元，這樣做結(jié)果會導(dǎo)致鋁合金車體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分過度細密，計算量過大。為此，在建立車體幾何模型時選擇將實際的中空結(jié)構(gòu)等效為實體結(jié)構(gòu)[2-3]，通過計算并驗證保證等效厚度和實體厚度其強度和剛度等效。車體各個部位中空結(jié)構(gòu)的實際厚度與等效后的實體厚度如表1所列，建立頭車車體的三維實體幾何模型如圖1所列。

表1 車體實際厚度和等效厚度

1.2 車體的有限元模型

將已建立好的車體幾何模型導(dǎo)入Workbench，并運用其網(wǎng)格劃分Meshing工具對車體結(jié)構(gòu)進行離散化處理。由于車體的裝配體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此采用自動網(wǎng)格劃分法，車體結(jié)構(gòu)離散化得到的有限元模型如圖2所示。

圖1 CRH3頭車車體三維模型

圖2 頭車車體的有限元模型

2 有限元仿真計算及車體結(jié)構(gòu)疲勞強度分析

2.1 車體疲勞載荷工況的確定

歐洲標準EN12663：2000規(guī)定，在對車輛車體等進行強度分析時，不僅只對氣動載荷進行分析，須綜合考慮到牽引制動、軌道條件、軌縫處的輪軌沖擊以及軌道變形引起的疲勞載荷，對車體的各方向震動疲勞載荷須取經(jīng)驗值[4]。因此車體縱向疲勞載荷fxd、橫向疲勞載荷fyd和垂向疲勞載荷fzd計算公式如下：

fxd=fyd=fzd=0.15 mg

(1)

高速動車組在運行時在周圍會產(chǎn)生強烈的空氣波，尤其是當會車或通過隧道時，空氣波會急劇加大，而會車時車體的會車一側(cè)會產(chǎn)生極高的空氣壓力波載荷。車體疲勞載荷分析從明線會車、隧道通過和隧道會車三個工況來進行，此處以明線會車工況詳細說明，另兩種工況分析方法相同。

設(shè)定相向行駛的兩輛動車組其線間距為4.4 m，車速為300 km/h，當兩輛動車組明線會車時其頭車車體所受壓力波如圖3所示。

圖3 明線會車時車體的壓力波曲線圖

為對壓力波作用在車體上的實際過程進行仿真，可將車體沿車場方向分為6個區(qū)域，分別為6個分區(qū)。將圖3中的車體壓力波作用過程通過Workbench沿車長方向分別對6個分區(qū)做瞬態(tài)分析。具體分析過程為：會車前車體各分區(qū)均不受壓力波載荷作用，此為時間步1；從0.25 s開始壓力波到達分區(qū)1未達分區(qū)2，此時僅分區(qū)1承受壓力波，為時間步2；接著0.28 s時壓力波到達分區(qū)2，此時分區(qū)2開始承受分區(qū)1剛才所受壓力波，而分區(qū)1則承受壓力波曲線上下一時間點的壓力波，其它分區(qū)壓力波還未到達，為時間步3；然后壓力波依次先后到達分區(qū)3～6，并同樣掃掠過每一分區(qū)，直至壓力波沿縱向掃掠過整個車體表面時結(jié)束，詳細加載過程如表2所列。

表2 壓力波加載時間步說明 /Pa

2.2 有限元仿真計算

在 Workbench的瞬態(tài)分析模塊中，將表2中確定的氣動疲勞載荷時間步和由公式(1)計算的機械疲勞載荷施加到已建立的車體有限元模型上。定義車體各部分主要材料的密度和力學性能參數(shù)如表3所列，設(shè)置求解時間和輸出等控制，計算出車體在壓力波作用過程中最大和最小主應(yīng)力時間歷程，計算結(jié)果如圖4所示。

表3 車體材料性能參數(shù)

2.3 車體結(jié)構(gòu)疲勞強度分析

根據(jù)我國《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定》中要求，在對車體結(jié)構(gòu)進行疲勞強度分析時，可選取Goodman疲勞極限圖作為車體疲勞強度分析的評定根據(jù)[5]。由于動車組在運行過程中既受氣動載荷的影響，還會受到制動摩擦、震動等交變機械載荷的影響，因此車體處在多軸應(yīng)力狀態(tài)，需將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閱屋S應(yīng)力。

圖4 車體最大和最小主應(yīng)力時間歷程截圖

此處采用最大主應(yīng)力法將多軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閱屋S應(yīng)力，具體方法為：分別對車體在受到不同載荷作用下的應(yīng)力進行計算，選取應(yīng)力最大時的應(yīng)力方向確定為最大主應(yīng)力方向，應(yīng)力值為最大主應(yīng)力σmax，將受到其它載荷作用的應(yīng)力投射到最大主應(yīng)力方向取其值為最小主應(yīng)力σmin，后可確定應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值為：

(2)

(3)

將圖4中所有時間點的最大主應(yīng)力σmax和最小主應(yīng)力σmin帶入到公式(2)和公式(3)中計算出應(yīng)力幅值σamp和應(yīng)力均值σmean，然后以每一時間點的σamp為縱坐標、σmean為橫坐標在車體主要材料的Goodman疲勞極限圖內(nèi)描點，結(jié)果如圖5所示。

圖5 明線會車時車體疲勞強度分析圖

由圖5可知，疲勞載荷作用過程中所有時間點的應(yīng)力幅值σamp和應(yīng)力均值σmean均在包絡(luò)線ABCDEFGH的內(nèi)部，因而車體的疲勞強度滿足設(shè)計要求，車體結(jié)構(gòu)在設(shè)計的使用壽命內(nèi)不會發(fā)生疲勞破壞[6-7]。根據(jù)相同方法對隧道通過和隧道會車兩種工況進行車體疲勞強度分析，分析結(jié)果如圖6、7所示，從圖中亦可以看出，疲勞載荷作用過程中的所有時間點其應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值均在包絡(luò)線內(nèi)部，因此車體疲勞強度滿足設(shè)計要求。

圖6 隧道通過時車體疲勞強度分析圖

圖7 隧道會車車體疲勞強度分析圖

3 車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測

3.1 車體材料的S-N曲線

S-N曲線是描述一定循環(huán)條件下疲勞強度與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線，是進行車體材料壽命估算的關(guān)鍵依據(jù)，在工程中常用來估算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[8-9]。CRH3動車組車體主要材料為A7N01S和A6N01S，計算動車組車體主要材料的S-N曲線如圖8所示，其中置信度為95%，存活率為99%。

圖8 動車組車體主要材料的S-N曲線

3.2 車體疲勞壽命的計算及結(jié)果

動車組車體疲勞壽命與其所受到應(yīng)力幅值密切相關(guān)，且其疲勞過程屬于高周疲勞，因此在進行疲勞壽命計算時選擇基于應(yīng)力的疲勞程序模塊Stress Life[10-11]，疲勞強度因子設(shè)為0.8，具體設(shè)置如圖9所示。通過有限元瞬態(tài)動力學分析，對車體的疲勞壽命(Life)、安全系數(shù)(Safety Factor)及疲勞損傷值(Damage)進行計算。

通過有限元計算得到的車體的疲勞壽命云圖如圖10所示，從圖中可以看出，車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命的最小值為1.74e6，最大值為1e7，因此能夠滿足車體設(shè)計要求(安全運行20年)。計算車體的安全系數(shù)云圖如圖11所示，從圖中可以看出車體的最小安全系數(shù)為1.15，大于標準值1，因此可確定車體的安全系數(shù)亦滿足要求。計算車體的疲勞損傷云圖結(jié)果如圖12所示，從圖中可以看出車體的最大疲勞損傷值為0.574，遠小于標準值1，因此可確定車體在運行過程中不會發(fā)生疲勞破壞。

圖9 疲勞壽命計算設(shè)置

圖10 車體疲勞壽命云圖

圖11 車體安全系數(shù)云圖

圖12 車體疲勞損傷云圖

4 結(jié) 語

以CRH3型車頭車為原型建立車體幾何模型，將模型導(dǎo)入到Workbench中，對明線會車、隧道通過、隧道會車三種工況進行疲勞強度分析，分析結(jié)果證明三種工況下疲勞載荷作用過程中的所有時間點，其應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值均在包絡(luò)線內(nèi)部，車體疲勞強度滿足設(shè)計要求。結(jié)合有限元仿真計算的結(jié)果，運用車體主要材料的Goodman疲勞極限圖對車體結(jié)構(gòu)的疲勞強度進行分析，并對車體安全使用壽命進行計算。仿真結(jié)果表明，車體各部位的安全系數(shù)均大于1，滿足疲勞強度的要求，車體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命也滿足設(shè)計要求。