王 萌，李 強(qiáng)，王斌杰，張友印

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞損傷規(guī)律研究*

王 萌，李 強(qiáng)，王斌杰，張友印

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

基于U80H型罐車的線路實(shí)測動應(yīng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析了載重、運(yùn)行速度對罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:牽引梁與車體其他部位連接處是罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度薄弱區(qū)域;軸重對車體結(jié)構(gòu)損傷呈非線性影響，在大軸重的情況下?lián)p傷隨軸重的增加急劇增加;存在車體結(jié)構(gòu)損傷最小的車輛運(yùn)行速度，采用合理的車輛運(yùn)行速度可有效延長車輛的使用壽命。根據(jù)所得車體結(jié)構(gòu)疲勞損傷規(guī)律，分析得到車輛最大軸重時(shí)的最快運(yùn)行速度及最快運(yùn)行速度下的最大軸重。

結(jié)構(gòu)疲勞損傷;U80H罐車車體;動應(yīng)力測試;損傷規(guī)律應(yīng)用

隨著貨車運(yùn)行速度及運(yùn)用載重的增加，貨車車體的疲勞損傷隨之加?。?］，貨車安全運(yùn)營面臨愈加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。罐車作為中國鐵路貨運(yùn)列車的重要組成部分，在鐵路運(yùn)輸中占有重要地位，因此對罐車車體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷規(guī)律研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于國內(nèi)諸多學(xué)者對鐵路貨車的研究結(jié)果［2-4］，影響貨車受力狀況和運(yùn)行性能的主要是車鉤載荷的作用，而列車載重和運(yùn)行速度［5］很大程度上決定了車鉤載荷的作用狀態(tài)。本文根據(jù)U80H罐車的實(shí)線測試數(shù)據(jù)，對影響列車疲勞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的載重和運(yùn)行速度兩個(gè)因素進(jìn)行分析，研究了罐車車體結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)用工況下的疲勞損傷規(guī)律。

1 試驗(yàn)測試方案

為研究罐車車體的損傷規(guī)律，需要確定罐車車體結(jié)構(gòu)上的動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)測點(diǎn)。動應(yīng)力測點(diǎn)一般根據(jù)有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)細(xì)部應(yīng)力集中情況及實(shí)際應(yīng)用損傷嚴(yán)重部位［6］綜合進(jìn)行確定。

罐車車體在縱向、橫向上均屬于對稱結(jié)構(gòu)，故可取車體1/4結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行有限元分析，將研究的U80H罐車離散為圖1所示30 mm大小的71 221個(gè)板殼單元，對結(jié)構(gòu)施加對稱約束，在車體的前、后從板上分別施加拉、壓車鉤載荷，分析獲得該罐車的靜態(tài)強(qiáng)度關(guān)注測點(diǎn);通過分析車體細(xì)部結(jié)構(gòu)，尤其主焊縫區(qū)域及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等應(yīng)力集中區(qū)域，確定車體的結(jié)構(gòu)關(guān)注測點(diǎn);根據(jù)以往罐車車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況，確定車體的運(yùn)用關(guān)注測點(diǎn)。綜合上述分析，確定U80H型罐車車體的動應(yīng)力測點(diǎn)位置如圖2所示。

圖1 U80H罐車車體有限元模型

圖2 U80H罐車車體動應(yīng)力測點(diǎn)位置

為較全面的研究載重和速度對罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響，確定的實(shí)線試驗(yàn)測試方案如表1所示。

表1 實(shí)線試驗(yàn)測試方案

表1所示的測試均在長沙東—古培塘區(qū)間往返測試，每個(gè)往返138 km。本次測試采用120 Ω溫度補(bǔ)償應(yīng)變?nèi)珮驕y試，選用HBM公司eDAQ32型動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率500 Hz。

通過分析所測數(shù)據(jù)，獲得罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞損傷規(guī)律。

2 損傷規(guī)律分析

對累積所測25 t軸重工況904.4 km和27 t軸重工況1 440.2 km數(shù)據(jù)的應(yīng)力—時(shí)間歷程分別進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)［7］，獲得各測點(diǎn)的8級應(yīng)力譜，根據(jù)統(tǒng)計(jì)所得應(yīng)力譜按照式(1)進(jìn)行損傷計(jì)算。

式中D為測點(diǎn)損傷;C、m為測點(diǎn)所對應(yīng)的焊接接頭SN曲線參數(shù);σi為各級應(yīng)力水平;ni為各級應(yīng)力作用頻次。

所得各測點(diǎn)的損傷情況如圖3所示(18測點(diǎn)損壞)。

從圖3中可以看出，U80H罐車車體疲勞強(qiáng)度薄弱區(qū)域非常集中，位于牽引梁與枕梁下蓋板連接處(測點(diǎn)2，3，19，22)、牽引梁腹板尾端與罐體加強(qiáng)板連接處(測點(diǎn)5，8，13，14)及橫梁與下側(cè)梁連接處(測點(diǎn)16)區(qū)域。對罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞損傷規(guī)律的研究也主要以上述區(qū)域?yàn)橹鳌?/p>

2.1 動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律

有限元分析表明疲勞損傷最嚴(yán)重區(qū)域(測點(diǎn)3)對縱向車鉤載荷的應(yīng)力響應(yīng)明顯，因此車體在實(shí)際運(yùn)行中受到車鉤牽引載荷、制動造成的縱向沖擊時(shí)，均會出現(xiàn)明顯的拉或壓應(yīng)力響應(yīng)。

選取表1所示27 t軸重下的5次測試數(shù)據(jù)，將測點(diǎn)3在不同速度級下的最大動應(yīng)力響應(yīng)波形繪于圖4。從圖中可以看出70，80，90 km/h速度級下動應(yīng)力最大值出現(xiàn)在持續(xù)拉應(yīng)力狀態(tài);60，100 km/h速度級下動應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拉應(yīng)力短時(shí)突變狀態(tài)，這兩種響應(yīng)形式均因車體受縱向車鉤載荷(縱向牽引或縱向沖擊)引起，因此縱向車鉤載荷是造成車體結(jié)構(gòu)大應(yīng)力循環(huán)的主要影響因素。另外從圖中可以看出在相同的線路及載重條件下，除90 km/h外，其他速度級下的動應(yīng)力響應(yīng)最大值普遍較大(大于70 MPa)，90 km/h速度級下的動應(yīng)力響應(yīng)最大值明顯小于其他速度級(約58 MPa)。

為進(jìn)一步分析車體動應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，將27 t軸重90 km/h工況下?lián)p傷最大區(qū)域?qū)ΨQ位置測點(diǎn)2，測點(diǎn)3的最大應(yīng)力響應(yīng)繪于圖5。從圖中可以看出:

(1)測點(diǎn)2，3的應(yīng)力響應(yīng)整體變化趨勢相同，由此可推斷車鉤載荷對損傷最大區(qū)域的應(yīng)力響應(yīng)起主導(dǎo)作用;

(2)測點(diǎn)2，3的應(yīng)力響應(yīng)的細(xì)部波動相位不同，表明存在其他車輛振動載荷的耦合作用，引起車體結(jié)構(gòu)較高頻率的動應(yīng)力響應(yīng)。

經(jīng)雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的應(yīng)力譜可有效表示所測數(shù)據(jù)全程的應(yīng)力循環(huán)情況。27 t軸重不同速度級下?lián)p傷最嚴(yán)重區(qū)域(測點(diǎn)3)的雨流計(jì)數(shù)應(yīng)力譜如圖6所示。從圖中可以看出，90 km/h速度下的應(yīng)力譜線較其他應(yīng)力譜線左移，說明該運(yùn)行速度有效降低相同循環(huán)頻次的應(yīng)力幅值或降低相同應(yīng)力水平的循環(huán)頻次，從而使得車體疲勞損傷程度較其他速度工況有所降低。

圖6 不同速度級測點(diǎn)3雨流應(yīng)力譜

2.2 軸重對損傷的影響

對U80H罐車車體結(jié)構(gòu)在25 t、27 t軸重相同線路、相同速度下的應(yīng)力—時(shí)間歷程子樣進(jìn)行分析，計(jì)算所得疲勞強(qiáng)度關(guān)鍵部位兩種軸重下的損傷情況如圖7所示。從圖中可以看出，若將各測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)反向延長線與損傷坐標(biāo)軸(y軸)相交，會得到相當(dāng)大的負(fù)截距，而結(jié)構(gòu)損傷值不可能為負(fù)，因此軸重對結(jié)構(gòu)損傷的影響關(guān)系呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的非線性。

就本次測試而言，罐車軸重由25 t變?yōu)?7 t后，雖然載重只增加8%，但最大損傷卻增至原來的1.7倍左右，即27 t軸重使用壽命比25 t軸重下降約41%。因此，載重是罐車車體結(jié)構(gòu)損傷非常重要的影響因素，尤其在重載區(qū)間，結(jié)構(gòu)損傷隨載重的增加迅速加快。

圖7 車體結(jié)構(gòu)損傷與軸重的關(guān)系

2.3 運(yùn)行速度對損傷的影響

按照表1所示試驗(yàn)方案，U80H型罐車在27 t軸重條件下，按照60，70，80，90，100 5個(gè)速度級，在"長沙東—古培塘"試驗(yàn)線路區(qū)段分別測試一個(gè)往返，每個(gè)往返138 km。對測得5個(gè)不同速度級下的"應(yīng)力—時(shí)間"歷程進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，并按照式(1)進(jìn)行損傷計(jì)算，得到U80H罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度關(guān)鍵部位的損傷情況如圖8所示。

從圖8中可以看出，除90 km/h外，隨著列車運(yùn)行速度的提升，車體結(jié)構(gòu)損傷有增加的趨勢，但在90 km/h運(yùn)行速度下?lián)p傷大量減少。表明車輛系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，若以最小損傷為目標(biāo)函數(shù)，存在最優(yōu)運(yùn)行時(shí)速。對80，90，100 km/h數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合，結(jié)果如圖9所示，得出列車的損傷最小運(yùn)行時(shí)速為88.78 km/h。采用合理的車輛運(yùn)行速度可有效延長車輛的使用壽命。

圖8 車體結(jié)構(gòu)損傷與運(yùn)行速度的關(guān)系

圖9 損傷—速度二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果

3 損傷規(guī)律的應(yīng)用

根據(jù)分析所得罐車結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律，可以確定滿足實(shí)際應(yīng)用要求的列車最優(yōu)運(yùn)行條件。

3.1 最大軸重的最快運(yùn)行速度

設(shè)車輛最大軸重為27 t，依據(jù)測試所得罐車車體結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律確定車輛安全運(yùn)行300萬km的最快運(yùn)行速度。

以罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度最弱的測點(diǎn)3區(qū)域的損傷程度為限定條件，根據(jù)測試公里數(shù)及圖9的擬合結(jié)果，測點(diǎn)3每百公里損傷與80～100 km/h速度之間的關(guān)系為

解式(3)取較大速度，可得車輛最大27 t軸重下車輛安全運(yùn)行300萬km的最快速度為99.19 km/h。

3.2 最快運(yùn)行速度的最大載重

設(shè)車輛最快運(yùn)行速度為100 km/h，依據(jù)測試所得罐車車體結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律確定車輛安全運(yùn)行300萬km的最大列車軸重。

依舊以罐車車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度最弱的測點(diǎn)3區(qū)域的損傷程度為限定條件，假設(shè)25～27 t區(qū)間內(nèi)損傷與載重大致如圖7呈線性關(guān)系，測點(diǎn)3每百公里損傷與25～27 t軸重之間的關(guān)系為

取安全系數(shù)1.3，則300萬km最大軸重滿足下式

取安全系數(shù)1.3，則300萬km最快運(yùn)行速度滿足下式

解式(5)可得車輛最快運(yùn)行100 km/h速度下車輛安全運(yùn)行300萬km的最大軸重為26.54 t。

4 結(jié)論

通過對線路實(shí)測動應(yīng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)分析可以得到如下結(jié)論:

(1)對于U80H型罐車車體，疲勞強(qiáng)度薄弱區(qū)域集中在3個(gè)部位:牽引梁與枕梁下蓋板連接處、牽引梁腹板尾端與罐體加強(qiáng)板連接處及橫梁與下側(cè)梁連接處區(qū)域;

(2)軸重是罐車車體結(jié)構(gòu)損傷非常重要的影響因素，尤其在重載區(qū)間，結(jié)構(gòu)損傷隨載重的增加迅速加快。U80H罐車軸重由25 t變?yōu)?7 t后，載重增加8%，但最大損傷增至原來的1.7倍左右，使用壽命下降約41%;

(3)合理的運(yùn)行速度可有效降低相同循環(huán)頻次的應(yīng)力幅值或相同應(yīng)力水平的循環(huán)頻次，從而使得車體疲勞損傷程度較其他速度工況有所降低。因此采用合理的車輛運(yùn)行速度可有效延長車輛的使用壽命。U80H罐車車體損傷最小運(yùn)行速度為88.78 km/h;

(4)縱向車鉤載荷是造成車體結(jié)構(gòu)大應(yīng)力循環(huán)的主要影響載荷;

(5)根據(jù)分析所得罐車結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律，可以確定滿足實(shí)際應(yīng)用要求的列車最優(yōu)運(yùn)行條件。

由于試驗(yàn)條件限制，本次試驗(yàn)研究只獲得U80H車體結(jié)構(gòu)部分運(yùn)行工況下的疲勞損傷規(guī)律，更全面的規(guī)律需要進(jìn)一步細(xì)致的試驗(yàn)測試與分析。

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Study on Structural Fatigue Damage Law for Tank Car Body

WANG Meng，LI Qiang，WANG Binjie，ZHANG Youyin
(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Based on the real road dynamic stress test data of U80H type tank car body，the structural fatigue damage law has been analyzed for tank car body from axle load to operating velocity.The analysis results showed that the weak fatigue strength position is in the area where the draft sill and other parts are connected;the axle loads has made a nonlinear effect on car body structure damage，and the damage grew sharply as the axle loads grew;the minimum damage running speed did exist，so that a reasonable operating speed made a longer car body operating life.According to the car body structural fatigue damage law founded，the fastest running speed under the heaviest axle load and the heaviest axle load under the fastest running speed have been found.

structure fatigue damage;U80H tank car body;dynamic stress test;damage law application

U272.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.05

1008－7842(2015)02－0019－04

*“863”計(jì)劃(2012AA112001);北京高等學(xué)?！扒嗄暧⒉庞?jì)劃”(YETP0566);北京交通大學(xué)基本科研基金(2013YJS077)王萌(1987—)男，博士研究生(

2014－09－28)