陳寬裕,陽光武,肖守訥,楊 冰,朱 濤,王舉金
(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)
對(duì)于軌道車輛的設(shè)備來說,它們通常暴露于持續(xù)振動(dòng)的環(huán)境中,這些振動(dòng)載荷往往是確定性與隨機(jī)性過程的組合[1],因此在產(chǎn)品研發(fā)的過程中,需要進(jìn)行振動(dòng)耐久測(cè)試來驗(yàn)證關(guān)鍵部件的振動(dòng)疲勞性能[2]。目前對(duì)于車輛設(shè)備的臺(tái)架試驗(yàn),主要分為功能振動(dòng)試驗(yàn)與模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn),長(zhǎng)壽命試驗(yàn)需要在較短的時(shí)間內(nèi)復(fù)現(xiàn)出整個(gè)服役壽命期間所產(chǎn)生的疲勞損傷,其具有較為重要的意義。
因此,頻域載荷譜作為臺(tái)架試驗(yàn)的加速度激勵(lì)輸入,其編制過程成為了試驗(yàn)中至關(guān)重要的一步,其中加速參數(shù)的選擇以及等效加速時(shí)間的確定直接影響加速壽命的合理性。在工程問題中,許多載荷呈現(xiàn)明顯的非高斯特征,尤其是在工況比較惡劣的環(huán)境下,激勵(lì)的非高斯特性尤為明顯[3],然而為簡(jiǎn)化計(jì)算,我們?cè)诜治鰰r(shí)通常假設(shè)結(jié)構(gòu)承受的隨機(jī)載荷服從平穩(wěn)高斯分布,這往往會(huì)導(dǎo)致疲勞損傷結(jié)果偏于危險(xiǎn),為設(shè)備服役埋下隱患[4]。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)非高斯載荷的加速疲勞進(jìn)行了研究,程紅偉[5]建立了非高斯概率密度函數(shù)解析表達(dá)式,將概率功率譜與Dirlik公式結(jié)合,提出非高斯寬、窄帶疲勞壽命計(jì)算公式,給出基于失效機(jī)理的隨機(jī)振動(dòng)加速試驗(yàn)方案。王得志等[6]研究了非高斯隨機(jī)振動(dòng)不同的分布特性,基于MSC二次開發(fā)提出一種非高斯信號(hào)數(shù)值模擬方法,并分析了加速疲勞壽命。高山[7]研究了海洋工程結(jié)構(gòu)對(duì)于非高斯激勵(lì)的響應(yīng)規(guī)律,同時(shí)探究了其在非高斯激勵(lì)下的疲勞損傷分布規(guī)律,提出了用于非高斯損傷頻域評(píng)估的模態(tài)耦合分析方法。李向偉等[8]以40 t軸質(zhì)量載礦石車為例,采集了重載線路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜,采用同步縮小損傷量的加速試驗(yàn)方法,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和壓縮,多軸加載實(shí)現(xiàn)了車體的加速疲勞試驗(yàn)。Wolfsteiner等[9]基于高階譜計(jì)算多自由度系統(tǒng)(multiple-degree-of-freedom system,MDOF)下的FDS,以此來估算非高斯激勵(lì)下多自由度系統(tǒng)的損傷,Wen等[10]以88 kW拖拉機(jī)前軸的負(fù)載信號(hào)作為輸入,考慮載荷幅值和材料疲勞的影響后,提出了一種基于功率譜密度非高斯疲勞損傷譜編輯(power-density-based fatigue load spectrum editing,PD-LSD)的加速耐久測(cè)試方法,確保了該方法可以再現(xiàn)拖拉機(jī)組件的疲勞負(fù)載特性。Cianetti等[11]基于FDS以及測(cè)試合成的方法,對(duì)比了不同條件下加速度激勵(lì)所產(chǎn)生的疲勞損傷,并通過一個(gè)耐久性測(cè)試案例驗(yàn)證了提出的非高斯加速方法。
常規(guī)的振動(dòng)耐久加速試驗(yàn)通常會(huì)忽視激勵(lì)信號(hào)的非高斯特性[12]。本文以車輛在實(shí)際線路運(yùn)行時(shí)所采集到的加速度激勵(lì)為例,提出了一種非高斯載荷的加速方法,計(jì)算支架模型加速壽命,并開展臺(tái)架試驗(yàn),將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。
頻域內(nèi)進(jìn)行載荷譜編輯,首先需要判別輸入激勵(lì)的非高斯特性,計(jì)算各個(gè)工況或者任務(wù)段的疲勞損傷譜,接著線性疊加合成代表全壽命的疲勞損傷譜,基于損傷等效原則,最終通過公式計(jì)算加速功率譜密度(power spectral density,PSD)進(jìn)行臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)。
隨機(jī)振動(dòng)中引入帶寬系數(shù)來判別窄帶、寬帶隨機(jī)過程[13],計(jì)算公式為
(1)
式中,mn為n階慣性矩。
假設(shè)應(yīng)力服從窄帶分布,即不規(guī)則系數(shù)r趨向于1,那么可以獲得窄帶疲勞損傷的表達(dá)式[14]
(2)
式(2)采用瑞利分布作為幅值概率密度函數(shù),同時(shí)可對(duì)zrms進(jìn)一步簡(jiǎn)化,如式(3)所示,可以推導(dǎo)疲勞損傷譜表達(dá)式(4)[15]
(3)
假設(shè)應(yīng)力服從寬帶分布,采用Wirsching公式與Dirlik概率密度函數(shù)分別計(jì)算寬帶應(yīng)力疲勞損傷譜,Wirsching修正疲勞損傷譜如式(5)所示
FDS=λRFDS(fn)
(5)
式中:λR為修正因子;FDS(fn)為Rayleigh假設(shè)下的疲勞損傷。
將Dirlik概率密度代入疲勞損傷求解通用公式可推導(dǎo)出寬帶疲勞損傷譜表達(dá)式
(6)
式中:zrms為位移響應(yīng)的RMS值;T為持續(xù)時(shí)間。
如果信號(hào)為非高斯信號(hào)且無法使用功率譜密度表示,則需要將信號(hào)通過單自由度系統(tǒng)獲得其相對(duì)位移響應(yīng)[16],再根據(jù)線性系統(tǒng)假設(shè)通過式(7)獲得應(yīng)力響應(yīng),改變系統(tǒng)固有頻率,雨流計(jì)數(shù)繪制疲勞損傷譜。
σ=K·zp
(7)
等效時(shí)間Teq內(nèi)的合成加速試驗(yàn)PSD計(jì)算公式如式(8)所示[17]
(8)
式中:∑FDS(fn)為各工況總損傷;k為安全因子;Teq為等效試驗(yàn)時(shí)間。
本文以地鐵底架天線安裝座鋁合金焊縫出現(xiàn)裂紋為案例,采集了車輛實(shí)際運(yùn)行過程中上、下行的加速度激勵(lì)數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行加速處理,對(duì)比不同加速參數(shù)對(duì)加速功率譜密度的影響,最終合成臺(tái)架試驗(yàn)加速PSD。本次加速度測(cè)點(diǎn)主要分布在底板、構(gòu)架、枕梁、支架、軸箱等位置,選擇車輛上、下行過程中構(gòu)架附近加速度作為支架安裝座的激勵(lì)輸入。
由于線路試驗(yàn)過程中存在比較多的停車與啟動(dòng)時(shí)間,該時(shí)間段加速度激勵(lì)所產(chǎn)生的損傷較小可以忽略不計(jì),所以需要根據(jù)時(shí)間關(guān)聯(lián)損傷編輯法,對(duì)激勵(lì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的縮減。時(shí)間關(guān)聯(lián)損傷編輯法是以實(shí)測(cè)的局部應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,計(jì)算測(cè)點(diǎn)的損傷-時(shí)間曲線,刪除小振幅無損或者小損部分,壓縮激勵(lì)數(shù)據(jù)點(diǎn),建立起較短的時(shí)間歷程,進(jìn)行具有代表性且有意義、更加經(jīng)濟(jì)的測(cè)試[18]。根據(jù)實(shí)際的情況選擇合適的窗口長(zhǎng)度與時(shí)間保留度,標(biāo)記無損以及小損部分如圖1所示,以第二次上行為例,縮減前后的加速度激勵(lì)對(duì)比如圖2所示。后續(xù)加速仿真計(jì)算均采用縮減加速度激勵(lì)。
圖1 標(biāo)記加速度激勵(lì)無損以及小損部分Fig.1 Mark acceleration excitation lossless and minor damage parts
圖2 壓縮原始加速度激勵(lì)Fig.2 Compress original acceleration excitation
功率譜密度是二階統(tǒng)計(jì)量,對(duì)于均值為0的平穩(wěn)高斯振動(dòng),PSD才可以包含隨機(jī)振動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性[19];而對(duì)于非高斯隨機(jī)過程,PSD所包含的信息還不夠。車輛運(yùn)行中設(shè)備所經(jīng)受的載荷一般為非高斯激勵(lì),所以首先需要對(duì)輸入激勵(lì)進(jìn)行非高斯判別。對(duì)于一個(gè)隨機(jī)過程X,工程上常用偏斜度S和峭度K這兩個(gè)參數(shù)來描述,其表達(dá)式如式(9)、式(10)所示
(9)
(10)
工程上來說,峭度K=3,偏斜度S=0時(shí)為高斯過程,K>3時(shí)為超高斯激勵(lì),K<3時(shí)為亞高斯激勵(lì)。其次對(duì)加速度激勵(lì)的幅值分布進(jìn)行高斯分布檢驗(yàn),觀察其幅值是否服從高斯分布,選擇第二次上行任務(wù)段y向,以2.1節(jié)時(shí)域縮減加速度激勵(lì)作為輸入,分布檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。每個(gè)任務(wù)段的峭度及偏斜度計(jì)算結(jié)果如圖4所示。
圖3 輸入加速度激勵(lì)與其分布檢驗(yàn)Fig.3 Input acceleration excitation and its distribution test
圖4 車輛上、下行xyz方向的峭度、偏斜度計(jì)算Fig.4 Calculation of kurtosis and skewness of vehicle up and down xyz direction
經(jīng)過對(duì)比分析,最終可以得出結(jié)論,若峭度大于4,可以在采集到的加速時(shí)間歷程中觀察到明顯的突變峰值,可認(rèn)為該激勵(lì)是非高斯激勵(lì)[20]。在車輛上、下行過程中,峭度最小為5.3,最大為13.42,綜上在車輛運(yùn)行過程中構(gòu)架上的所采集到的加速度激勵(lì)均為非高斯信號(hào)。
加速參數(shù)按照加速過程中計(jì)算所需可大致分為系統(tǒng)參數(shù)、材料參數(shù)、采樣參數(shù)、疲勞損傷譜估算參數(shù)、等效加速時(shí)間等,不同加速參數(shù)的選擇會(huì)給最終的加速壽命帶來較大影響。
2.3.1 FDS計(jì)算方法的選擇
首先對(duì)比激勵(lì)通過SDOF系統(tǒng)后不同疲勞計(jì)算方法的選擇對(duì)FDS的影響,以地鐵第一次下行構(gòu)架加速度激勵(lì)為例,編程得到不同方法求解得到的三向FDS結(jié)果如圖5所示,以時(shí)域方法獲得的FDS以及加速PSD的RMS值為基準(zhǔn),可以發(fā)現(xiàn)Rainflow方法計(jì)算結(jié)果最準(zhǔn)確,但其計(jì)算速度較慢,適合小數(shù)據(jù)量計(jì)算,簡(jiǎn)化Rayleigh方法計(jì)算速度最快,但由于其計(jì)算zrms時(shí)假設(shè)輸入激勵(lì)為白噪聲,所以結(jié)果有較大偏差,頻域方法求解FDS幅值普遍與時(shí)域雨流計(jì)數(shù)方法比較接近。根據(jù)2.2節(jié)中的激勵(lì)判定結(jié)果,本文所有任務(wù)段激勵(lì)均為非高斯激勵(lì),所以采用時(shí)域雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算FDS并進(jìn)行加速。
圖5 三向不同計(jì)算方法FDS結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of FDS results of three-dimensional different calculation methods
通過對(duì)每種FDS求解辦法耗時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表1所示,可以發(fā)現(xiàn)頻域方法雖然效率很高,但僅僅局限于各態(tài)歷經(jīng)的高斯激勵(lì),而時(shí)域方法求解精度高、耗時(shí)久,適用于非高斯激勵(lì)。
表1 疲勞損傷譜計(jì)算方法優(yōu)劣對(duì)比Tab.1 Comparison of FDS calculation methods
2.3.2 材料參數(shù)b的選擇
本節(jié)改變系統(tǒng)參數(shù)(SDOF剛度K)和材料參數(shù)(S-N曲線中的b,C)繪制出加速PSD如圖6所示,經(jīng)推導(dǎo)以及計(jì)算結(jié)果可知,系統(tǒng)參數(shù)剛度K與材料參數(shù)C僅對(duì)FDS有影響而對(duì)最終的加速PSD與加速壽命沒有影響,所以本節(jié)改變材料參數(shù)b,計(jì)算加速PSD。結(jié)果表明,b的取值對(duì)車輛上、下行加速激勵(lì)有較大影響,可以認(rèn)為b的取值越小,加速PSD的RMS值越大,反之越小。2.3.3節(jié)將從b的取值與等效加速時(shí)間綜合考慮選擇最合適的加速參數(shù)。
圖6 三向不同b取值的加速PSD對(duì)比(時(shí)域方法)Fig.6 Comparison of accelerated PSD with different b values in three directions
2.3.3 等效加速時(shí)間的選擇
改變預(yù)設(shè)定等效加速時(shí)間,計(jì)算加速PSD,通過預(yù)仿真計(jì)算加速壽命,與預(yù)設(shè)的加速壽命越接近說明加速效果越好,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。最終選擇b=3.8,等效加速時(shí)間為5 h,可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)加速壽命與預(yù)設(shè)加速壽命吻合最好。
圖7 不同預(yù)設(shè)等效加速時(shí)間下加速壽命Fig.7 Acceleration life under different preset equivalent acceleration time
經(jīng)過上文對(duì)加速參數(shù)的選擇,且根據(jù)車輛支架安裝座實(shí)際設(shè)計(jì)壽命計(jì)算代表全壽命的FDS循環(huán)次數(shù),最終根據(jù)式(8)可合成頻率范圍5~1 000 Hz的加速PSD激勵(lì),如圖8所示。
圖8 三向加速PSD譜Fig.8 Three-dimensional acceleration PSD spectrum
按照實(shí)際結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行一比一建模,有限元模型與邊界條件如圖9所示。本文在仿真時(shí)主要計(jì)算加速激勵(lì)對(duì)焊縫單元的加速疲勞壽命的影響,同時(shí)為減小計(jì)算量,在模型中設(shè)置set組包含貼片單元進(jìn)行疲勞損傷求解,模型中施加加速度激勵(lì)方法為大質(zhì)量點(diǎn)法,由于加速度激勵(lì)為PSD,所以損傷計(jì)算方法為諧響應(yīng)法。本文測(cè)點(diǎn)均為鋁合金搭接焊縫,根據(jù)EN-1999-1-3,5×106次循環(huán)次數(shù)處的疲勞強(qiáng)度σ-1=17.6 MPa,S-N曲線的存活率為97.7%
圖9 有限元模型與邊界條件Fig.9 Finite element model and boundary conditions
由于存在應(yīng)力集中、焊接缺陷和殘余應(yīng)力的影響,焊縫處的疲勞強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于母材疲勞強(qiáng)度,所以為減小計(jì)算量,本文僅考慮焊縫的疲勞壽命而不考慮母材。選擇所有焊址處的單元求解疲勞損傷,基于Miner損傷累積準(zhǔn)則以及多軸線性累加法則可以得到所有焊縫單元的累積損傷值。加速后的危險(xiǎn)測(cè)點(diǎn)的損傷云圖(每秒損傷)如圖10所示。改變材料參數(shù)b的值,觀察所有測(cè)點(diǎn)單元的加速疲勞壽命,如圖11所示。結(jié)果表明,加速疲勞壽命與b的取值有關(guān),b取值越小加速每秒損傷越大,反之越小。
圖10 支架安裝座焊縫危險(xiǎn)測(cè)點(diǎn)損傷云圖Fig.10 Damage cloud map of weld danger measuring point of bracket mounting seat
圖11 諧響應(yīng)法求解損傷結(jié)果(改變加速參數(shù)b)Fig.11 Damage results by harmonic response method(change the acceleration parameter b)
支架安裝座焊縫單元較多,選擇最危險(xiǎn)的測(cè)點(diǎn)單元列出其加速累積損傷結(jié)果如表2所示,計(jì)算支架振動(dòng)疲勞每秒損傷,乘以5 h后與損傷1相比較(假設(shè)支架損傷為1時(shí)產(chǎn)生疲勞裂紋并且失效),計(jì)算仿真加速累積損傷與原始損傷的相對(duì)誤差,同時(shí)根據(jù)加速壽命與原始設(shè)計(jì)使用壽命,得到加速比(加速比=設(shè)計(jì)壽命/加速壽命),結(jié)果表明加速累積損傷的相對(duì)誤差為0.57%,在允許的限值范圍之內(nèi),加速比結(jié)果為21 722.26,這驗(yàn)證了本文加速方法的有效性。
表2 加速前后疲勞壽命對(duì)比Tab.2 Comparison of fatigue life before and after acceleration
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文中非高斯激勵(lì)加速方法的有效性,分別進(jìn)行了3個(gè)方向的原始譜時(shí)域模擬試驗(yàn)、模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn),本次試驗(yàn)總共使用了8個(gè)三向應(yīng)變花、8個(gè)單向應(yīng)變片、6個(gè)加速度傳感器一共50個(gè)通道。在試驗(yàn)先后順序上,先進(jìn)行線路實(shí)測(cè)譜試驗(yàn),接著模擬長(zhǎng)壽命加速譜試驗(yàn),臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。采用上文編制的加速PSD進(jìn)行長(zhǎng)壽命試驗(yàn)后,在天線支架安裝座處未觀察到明顯裂紋。采集天線支架安裝座焊縫危險(xiǎn)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變響應(yīng)如圖13所示,基于Miner準(zhǔn)則對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)所采集應(yīng)變進(jìn)行損傷累積,臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明,采用本文非高斯激勵(lì)加速方法可以模擬車輛設(shè)備在長(zhǎng)壽命狀態(tài)下的運(yùn)行情況,對(duì)應(yīng)變信號(hào)累積損傷結(jié)果與加速仿真誤差在10%以內(nèi),說明可以通過加速5 h的PSD激勵(lì)再現(xiàn)車輛設(shè)備長(zhǎng)期服役的壽命狀態(tài),加速?zèng)]有過度,天線支架安裝座焊縫結(jié)構(gòu)滿足30年設(shè)計(jì)壽命要求。通過線路實(shí)測(cè)激勵(lì)譜頻域合成加速方法的關(guān)鍵原則為保證加速后的PSD激勵(lì)沒有加速過度,從而保證車輛設(shè)備結(jié)構(gòu)的失效模式與線路實(shí)際運(yùn)行過程一致,檢驗(yàn)加速過度可以采用取極值響應(yīng)譜與沖擊響應(yīng)譜的最大包絡(luò)線與加速PSD極值響應(yīng)譜對(duì)比的方法來檢驗(yàn)。
圖12 臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.12 Bench test site diagram
圖13 采集危險(xiǎn)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)Fig.13 Collect the strain response of the dangerous measuring point
本次臺(tái)架試驗(yàn)可以較為精確地驗(yàn)證本文加速方法,后續(xù)還需進(jìn)行大量臺(tái)架試驗(yàn),探究不同加速參數(shù)對(duì)安裝座鋁合金焊縫失效模式的影響。
采集臺(tái)架試驗(yàn)中危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng),計(jì)算響應(yīng)的頻域特性以及帶寬系數(shù),如表3所示。并且采用損傷累計(jì)法則計(jì)算累計(jì)損傷,與加速仿真結(jié)果對(duì)比,結(jié)果表明加速仿真與試驗(yàn)誤差為-1.6%,在允許范圍之內(nèi)。
表3 加速試驗(yàn)頻域特性以及仿真與試驗(yàn)疲勞壽命對(duì)比Tab.3 Frequency domain characteristics of accelerated test and comparison of fatigue life between simulation and test
本文基于疲勞損傷譜提出了一種處理非高斯激勵(lì)的加速方法,以車輛天線支架安裝座鋁合金焊縫為研究對(duì)象,計(jì)算了加速疲勞壽命,并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證,研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下:
(1)本文首先以基于時(shí)間關(guān)聯(lián)損傷編輯法的縮減信號(hào)作為激勵(lì)輸入,判別其非高斯特性,分別計(jì)算了每個(gè)工況xyz方向的峭度及偏斜度,同時(shí),檢驗(yàn)每一個(gè)任務(wù)段的高斯分布特性,繪制幅值分布圖,最終得出結(jié)論車輛上、下行過程中加速度激勵(lì)均為非高斯信號(hào)。
(2)對(duì)比了不同F(xiàn)DS計(jì)算方法的優(yōu)劣,簡(jiǎn)化Rayleigh方法計(jì)算速度最快適用大量數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算,Dirlik計(jì)算精度最高,雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)非高斯載荷適用,同時(shí)對(duì)比材料參數(shù)b與等效加速時(shí)間對(duì)加速PSD的影響,最終選擇b=3.8,等效加速時(shí)間5 h。
(3)建立車輛底板與支架安裝座局部有限元模型,改變參數(shù)b分別計(jì)算加速疲勞壽命,將加速壽命結(jié)果與原始設(shè)計(jì)使用壽命對(duì)比,其相對(duì)誤差為0.57%,加速比為21 722.26,說明沒有加速過度,且該加速PSD激勵(lì)可以在5 h內(nèi)反映30年的服役情況。
(4)開展模擬長(zhǎng)壽命臺(tái)架試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,使用本文加速譜編輯方法,可以對(duì)非高斯激勵(lì)進(jìn)行加速,將采集到的支架危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變損傷累積結(jié)果與加速仿真疲勞壽命對(duì)比,相對(duì)誤差為-1.6%,可以通過加速5 h的PSD激勵(lì)再現(xiàn)車輛設(shè)備長(zhǎng)期服役的壽命狀態(tài),同時(shí)也說明加速?zèng)]有過度,為車輛其他設(shè)備的載荷譜編制提供了一定的參考。