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        側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)載荷與鐵道車輛應(yīng)力響應(yīng)關(guān)系的研究*

        2012-11-27 05:57:20謝基龍
        鐵道機(jī)車車輛 2012年6期
        關(guān)鍵詞:有限元

        李 浩,謝基龍

        (1 北京航空精密機(jī)械研究所,北京100076;2 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京100044)

        鐵道車輛在線路上運(yùn)行,車體主要受到縱向拉伸(壓縮)、垂向浮沉、側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)幾種載荷,從而引起車體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。就不同載荷各自引起應(yīng)力響應(yīng)大小而言,側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)載荷并不最為明顯,但由于側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)載荷在線路運(yùn)行中出現(xiàn)頻次較多,且部分載荷響應(yīng)部位同縱向,垂向載荷的載荷響應(yīng)部位重合,根據(jù)線性累計(jì)損傷理論[2-4],多種載荷在這些部位產(chǎn)生的損傷是疊加的,使得這些部位損傷情況較為惡劣,有些部位可能成為車體主要疲勞破壞點(diǎn),因此,側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)載荷對(duì)于車體疲勞損傷的影響不容忽視,而國(guó)內(nèi)目前關(guān)于側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)載荷對(duì)車體疲勞損傷的研究較少,對(duì)于側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)載荷與車體疲勞壽命之間內(nèi)在聯(lián)系的分析結(jié)果不多。

        本文利用ANSYS有限元分析軟件,以C80B型車體為例,分析側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)載荷與車體應(yīng)力響應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)該方法分析得出的結(jié)果,結(jié)合試驗(yàn)室試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出的實(shí)際載荷數(shù)據(jù),可以得出側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)載荷同車體結(jié)構(gòu)疲勞之間的內(nèi)在關(guān)系,為鐵道車輛的疲勞壽命分析提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

        1 理論基礎(chǔ)

        1.1 側(cè)滾載荷與扭轉(zhuǎn)載荷

        車體垂直載荷的作用線通常在搖枕中部。在通過(guò)曲線或是三角坑等不平順軌道時(shí),車體在慣性力的作用下,會(huì)發(fā)生橫向或滾擺運(yùn)動(dòng),旁承會(huì)產(chǎn)生不同程度的載荷增減,則此時(shí)車體發(fā)生了側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)。對(duì)于貨車車輛,如果車體同側(cè)的兩個(gè)旁承載荷同時(shí)增加或者減少,則表征車體發(fā)生了側(cè)滾;如果同側(cè)的兩個(gè)旁承載荷一個(gè)增載另一個(gè)減載,則表征車體發(fā)生了扭轉(zhuǎn)[5]。車體俯視圖如圖1。

        圖1 車體俯視圖

        圖中若1、3位旁承增(減)載,2、4位旁承減(增)載,則此時(shí)車體發(fā)生側(cè)滾;若1、4位旁承發(fā)生增(減)載,2、3位旁承發(fā)生減(增)載,則此時(shí)車體發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

        在試驗(yàn)室試驗(yàn)或?qū)嶋H測(cè)試中,通過(guò)測(cè)力搖枕旁承處的載荷傳感器,可直接得到旁承載荷。

        由于車體的側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)在車輛運(yùn)行中會(huì)隨線路情況隨機(jī)出現(xiàn),耦合在一起。為了識(shí)別側(cè)滾載荷和扭轉(zhuǎn)載荷,必須把側(cè)滾載荷和扭轉(zhuǎn)載荷通過(guò)一定的算法識(shí)別出來(lái)[6]。

        由于車輛載荷前后是對(duì)稱或十分接近對(duì)稱的,對(duì)于工程問(wèn)題可以認(rèn)為:在1,3位旁承一側(cè),P1+P3為去除了扭轉(zhuǎn)載荷的側(cè)滾動(dòng)載荷,P1-P3為去除側(cè)滾載荷的扭轉(zhuǎn)動(dòng)載荷。其中P1,P3分別表示1,3位旁承上測(cè)得的垂向載荷。同理,可得2,4位旁承一側(cè)的側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)動(dòng)載荷。

        因此,我們可以用下式計(jì)算側(cè)滾載荷和扭轉(zhuǎn)載荷:

        其中P為折算到1位(或3位)旁承上的側(cè)滾載荷;Pz為折算到1位(或4位)旁承上的扭轉(zhuǎn)載荷;P1,P2,P3,P4分別表示1,2,3,4位旁承上測(cè)得的垂向載荷。

        在得出扭轉(zhuǎn)載荷后,利用下式得出扭矩:

        式中l(wèi)為單個(gè)旁承到其所在搖枕上心盤的中心距離。

        計(jì)算結(jié)果為正時(shí),表示車體的1、3位旁承一側(cè)處于增載側(cè)滾狀態(tài),或是逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)狀態(tài)(在車體1位端觀察);結(jié)果為負(fù)時(shí),表示車體的1、3位旁承一側(cè)處于減載側(cè)滾狀態(tài),或是順時(shí)針扭轉(zhuǎn)狀態(tài)(在車體1位端觀察)。

        1.2 加載方式

        (1)側(cè)滾載荷

        當(dāng)車體發(fā)生側(cè)滾時(shí),車內(nèi)貨物偏載,對(duì)于側(cè)墻將產(chǎn)生一個(gè)梯度分布的載荷。以心盤為支點(diǎn),梯度載荷對(duì)該支點(diǎn)的力矩應(yīng)與增載旁承上的載荷對(duì)該支點(diǎn)產(chǎn)生的力矩平衡。因此,本文在計(jì)算時(shí)采用以下模型進(jìn)行計(jì)算,如圖2所示。

        圖2 側(cè)滾計(jì)算原理圖

        梯度載荷的大小同側(cè)墻高度成線性關(guān)系,端墻頂部的載荷大小為0,則梯度載荷的函數(shù)為:

        根據(jù)力矩平衡,則有:

        式中Q為單側(cè)旁承側(cè)滾時(shí)的最大增減載,L為車體同一端兩個(gè)旁承橫向中心距;h0為車體側(cè)墻高度。將式(4)代入式(5),則有:

        解出k,也就確定了梯度載荷的分布。

        (2)扭矩

        在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí),根據(jù)力矩平衡,將扭矩?fù)Q算成旁承力,施加于左、右兩側(cè)旁承上,一側(cè)旁承力垂直向上,另一側(cè)旁承力垂直向下。計(jì)算公式如下:

        其中F為施加于車體一側(cè)的旁承力。

        2 建模與加載

        2.1 建模

        本文以C80B型車體為例進(jìn)行計(jì)算。C80B型車體的結(jié)構(gòu)參數(shù)[8]見(jiàn)表1。

        表1 C80B型敞車車體結(jié)構(gòu)參數(shù)

        建模時(shí)全部采用板殼單元Shell63對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。根據(jù)計(jì)算需要,選取半車模型,共離散為56 821個(gè)單元,54 046個(gè)節(jié)點(diǎn)。車體有限元模型如圖3

        圖3 車體有限元模型圖

        2.2 加載

        (1)側(cè)滾載荷加載

        側(cè)滾載荷加載因車體結(jié)構(gòu)為前后對(duì)稱,心盤處施加彈性全約束,左旁承施加垂向約束,對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束,側(cè)墻上施加梯度載荷。

        根據(jù)美國(guó)AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》中列出的90.7t高邊運(yùn)煤敞車在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大增減載有關(guān)數(shù)據(jù)[7],經(jīng)過(guò)噸位換算及單位換算,得出單側(cè)旁承最大增減載Q為38t,由于采用半車模型,則在計(jì)算時(shí)載荷減半,取19t。L,h0屬于車體尺寸參數(shù)。換算可得,L為1 858mm,h0為2 887mm,代入式(6),求出k=-0.043 14N/mm,也就確定了此時(shí)的梯度載荷。假設(shè)左旁承增載,右旁承載荷為零。加載后的模型如圖4。

        圖4 側(cè)滾載荷加載模型

        (2)扭轉(zhuǎn)載荷

        扭矩載荷加載固車體結(jié)構(gòu)為前后反對(duì)稱,根據(jù)車體受力情況,心盤處施加彈性全約束,對(duì)稱面上施加反對(duì)稱約束。

        同樣根據(jù)美國(guó)AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》,換算出整車可能最大扭矩為40kN·m。利用式(7)可求得加在旁承上的力F=21.53kN,之后采用1.2(2)節(jié)的方法進(jìn)行扭轉(zhuǎn)載荷的有限元加載計(jì)算。

        3 結(jié)果分析

        3.1 側(cè)滾載荷

        通過(guò)有限元計(jì)算,得到車體側(cè)滾載荷的大應(yīng)力響應(yīng)部位及其等效應(yīng)力值。如圖5

        圖5 側(cè)滾載荷車體整體應(yīng)力云圖

        側(cè)滾載荷有限元及損傷計(jì)算結(jié)果如表2所示,圖6,圖7為扭轉(zhuǎn)載荷工況下幾個(gè)較大應(yīng)力發(fā)生部位的應(yīng)力云圖。

        表2 側(cè)滾載荷有限元計(jì)算結(jié)果

        圖6 端墻與側(cè)墻連接區(qū)域應(yīng)力云圖

        圖7 旁承附近枕梁腹板孔緣應(yīng)力云圖

        3.2 扭轉(zhuǎn)載荷

        通過(guò)有限元計(jì)算,得到車體扭轉(zhuǎn)載荷的大應(yīng)力響應(yīng)部位及其等效應(yīng)力值,如圖8。

        圖8 扭轉(zhuǎn)載荷車體總體應(yīng)力云圖

        扭轉(zhuǎn)載荷有限元及損傷計(jì)算結(jié)果如表3所示,圖9,圖10為扭轉(zhuǎn)載荷工況下的幾個(gè)較大應(yīng)力發(fā)生部位的應(yīng)力云圖。

        表3 扭轉(zhuǎn)載荷有限元計(jì)算結(jié)果

        圖9 端墻與側(cè)墻連接區(qū)域應(yīng)力云圖

        圖10 靠近枕梁的大橫梁區(qū)域應(yīng)力云圖

        3.3 載荷傳遞系數(shù)

        根據(jù)施加的載荷值及計(jì)算結(jié)果,可得到側(cè)滾及扭轉(zhuǎn)載荷的應(yīng)力傳遞系數(shù),如表4。

        由此,基于應(yīng)力傳遞系數(shù),結(jié)合試驗(yàn)室模擬或?qū)嶋H線路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)編制出的載荷譜等載荷數(shù)據(jù),根據(jù)線性疊加原理,折算出相應(yīng)載荷譜下評(píng)估點(diǎn)的應(yīng)力譜[9]。再根據(jù)疲勞強(qiáng)度相關(guān)理論與方法,即可得出在實(shí)際載荷作用下,側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)載荷應(yīng)力響應(yīng)點(diǎn)的疲勞損傷值[10]。

        表4 側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)載荷應(yīng)力傳遞系數(shù)

        4 結(jié)論

        (1)側(cè)滾載荷和扭矩的產(chǎn)生,主要是由于車輛在運(yùn)行中旁承出現(xiàn)不同程度的載荷增減。對(duì)于側(cè)滾載荷和扭矩的大小,可通過(guò)監(jiān)測(cè)讀取旁承載荷,經(jīng)過(guò)公式計(jì)算提取分離得出。

        (2)車輛在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生側(cè)滾時(shí),側(cè)墻上將產(chǎn)生一個(gè)梯度載荷,在車體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提下,該梯度載荷分布函數(shù)的參數(shù)只與車體發(fā)生側(cè)滾時(shí)的單側(cè)旁承增減載有關(guān)。算例中采用了通過(guò)分析AAR載荷譜得出的最大增減載值進(jìn)行仿真計(jì)算。

        (3)車輛在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生的扭矩可等效折算為在同一端兩旁承上出現(xiàn)大小相等,方向相反的兩個(gè)力。算例中同樣采用通過(guò)分析AAR載荷譜得出的數(shù)值進(jìn)行仿真計(jì)算。

        (3)以C80B型敞車為例,利用有限元方法,根據(jù)本文提出的加載方式進(jìn)行計(jì)算,得出側(cè)滾,扭轉(zhuǎn)載荷與應(yīng)力響應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)系數(shù)。之后即可根據(jù)進(jìn)一步試驗(yàn)得出的實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算。

        [1]羅忠河.我國(guó)"十一五"將大力推進(jìn)車輛裝備現(xiàn)代化[J].鐵道車輛,2007,2(13):28-30.

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        [4]熊峻江.疲勞斷裂可靠性工程學(xué)[M].北京.國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

        [5]施治才,侯衛(wèi)星,陳明資,寧郁編譯.貨車轉(zhuǎn)向架疲勞強(qiáng)度規(guī)范[S].鐵道部四方車輛研究所編印,1989.

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        [7]美國(guó)AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)C分冊(cè)(II).貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范[S].

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        [9]唐 偉.機(jī)車車體的優(yōu)化及動(dòng)力響應(yīng)分析[D].四川成都:西南交通大學(xué),2001.

        [10]李 浩.C80B敞車扭轉(zhuǎn)和側(cè)滾載荷譜編制與應(yīng)用[D].四川成都:西南交通大學(xué),2010.

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