杜子學(xué) 潘麗雯

（重慶交通大學(xué)，400074，重慶∥第一作者，教授）

疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械失效的主要原因之一，引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根據(jù)靜態(tài)斷裂分析估算出來的“安全”載荷，因此對疲勞進(jìn)行研究有著重要的意義。

跨坐式單軌車輛是城市軌道交通的一種新型式，我國首次在重慶引進(jìn)跨坐式單軌車輛技術(shù)，并進(jìn)行自制研發(fā)。到目前為止，跨坐式單軌交通已在重慶運(yùn)營了6年的時(shí)間?？缱絾诬壾囕v以輕便、舒適、噪聲小，及運(yùn)營量大等諸多優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞。但近來我國制造的單軌車輛后裙板骨架與底架連接處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，考慮到是疲勞損壞的原因，為此需要對該車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析。

本文對跨坐式單軌車輛的疲勞研究是利用與有限元分析相結(jié)合的方法，從時(shí)域的角度研究其疲勞壽命。分析的過程主要有以下幾步：

1）獲得車體材料S－N（拉伸極限－屈服極限）曲線，即獲得車體材料的疲勞特性；

2）建立車體結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)豎向彎曲工況下的靜強(qiáng)度分析，得到其應(yīng)力結(jié)果；

3）選擇合適的結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法，根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法將實(shí)測應(yīng)力－時(shí)間歷程通過分析和處理進(jìn)行“編譜”，以獲取載荷譜；

4）找出車體結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域，采用合適的損傷法則來預(yù)測車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

1 車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算模型的建立

跨坐式單軌車輛車體構(gòu)件的疲勞壽命一般較高，在作疲勞試驗(yàn)時(shí)構(gòu)件斷裂前的循環(huán)次數(shù)Nf大于1×105～1×107次，屬于高周疲勞范圍。因此，根據(jù)材料的S－N曲線對其進(jìn)行全壽命分析是一種較為合理的分析方法。該分析方法以材料或構(gòu)件的應(yīng)力為基礎(chǔ)，用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法和Palmgren－Miner線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞分析，可以選擇不同的平均應(yīng)力修正方法。材料的S－N曲線也可以根據(jù)指定表面拋光和熱處理方法進(jìn)行修正。這種方法對裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展不加以明確的區(qū)分，能夠預(yù)測到有較大的損傷或破壞為止的總壽命。

重慶單軌車輛的車體主要使用LC超硬鋁和5083鋁合金材料，按照相關(guān)理論，可以通過材料的極限拉伸強(qiáng)度和彈性模量來估計(jì)材料的S－N曲線。通過估計(jì)得到的LC超硬鋁和5083鋁合金的S－N曲線如圖1、圖2所示。

車體載荷加速度譜可以通過試驗(yàn)實(shí)測，也可以通過多體動力學(xué)仿真得到。本文采用多體動力學(xué)仿真方法，例如在60km/h的速度下仿真計(jì)算，得到其車體中心銷處的豎向加速度時(shí)間歷程（如圖3所示）。該隨機(jī)載荷譜的加速度幅值為0.33m/s2，均值為0；主頻為1.5Hz。

建立疲勞計(jì)算模型時(shí)，首先將靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入疲勞分析軟件中，然后將動力學(xué)分析所得的載荷譜加入模型，并采用Goodman方法修正其平均應(yīng)力，最后對材料的循環(huán)特性進(jìn)行定義，得到材料的S－N曲線。

圖3 車體中心銷處豎向加速度－時(shí)間歷程

2 車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算與結(jié)果分析

車體結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果如圖4所示?；趫D4分析結(jié)果，對該車體進(jìn)行疲勞壽命分析，得到車體疲勞壽命較短的前20個(gè)點(diǎn)的疲勞壽命結(jié)果如圖5所示。從圖5得知，疲勞壽命最短的節(jié)點(diǎn)編號為1140627（在裙板連接梁處），可經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)為31 156次。該車每天運(yùn)行12個(gè)這樣的循環(huán)，該節(jié)點(diǎn)疲勞壽命為31 156÷12÷365＝7.1年，小于預(yù)期的使用壽命25年，因此需要進(jìn)行改進(jìn)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。車體最易發(fā)生疲勞的部位主要在裙板連接梁處，其疲勞壽命云圖如圖6、圖7所示。

圖4 車體結(jié)構(gòu)靜力分析應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)語

該仿真結(jié)果與該車體實(shí)際出現(xiàn)疲勞裂紋的時(shí)間和位置基本吻合，說明了使用該仿真分析方法對跨坐式單軌車輛車體進(jìn)行壽命預(yù)測是可行的。從而可以使用該疲勞壽命仿真方法以縮短新車型的開發(fā)周期、節(jié)約樣車的制造費(fèi)用，給車輛輕量化設(shè)計(jì)提供參考；而且可以通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并繼續(xù)使用該仿真方法來預(yù)測車體的疲勞壽命，以使車體的疲勞壽命達(dá)到規(guī)定的使用年限。該仿真分析研究為車輛的疲勞壽命預(yù)測提供了較為可靠的流程和方法，并可判斷車輛車體疲勞壽命的薄弱位置。

圖5 車體疲勞壽命最短的前20個(gè)點(diǎn)的信息

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