黃均洪 鄺福榮

中車(chē)廣東軌道交通車(chē)輛有限公司 廣東 江門(mén) 529000

隨著現(xiàn)如今科技的不斷發(fā)展，搭載車(chē)載信號(hào)的裝置多樣，其中有城市軌道交通車(chē)輛向架上的天線(xiàn)梁所轉(zhuǎn)變的這一種裝置。天線(xiàn)梁由橫梁和輔助安裝座構(gòu)成，通過(guò)螺栓和轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架端部連接左右兩端。因?yàn)樵谶\(yùn)行車(chē)輛的時(shí)候，軌道不順平，所以用激勵(lì)的形式作用在結(jié)構(gòu)上通過(guò)一系彈簧，將輪軌的接觸轉(zhuǎn)向架天線(xiàn)梁上。然而當(dāng)構(gòu)架上安裝的部件和軌道外載荷激勵(lì)的頻率相近使，因?yàn)檗D(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的頻率范圍略寬，這時(shí)如果部件不具備抗隨機(jī)震動(dòng)疲勞的能力或者是能力不足時(shí)，就會(huì)很大概率的發(fā)生疲勞斷裂失效。文章首先總結(jié)分析了隨機(jī)震動(dòng)疲勞理論，其次進(jìn)行了對(duì)轉(zhuǎn)向架天線(xiàn)梁的仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而且還將實(shí)際上運(yùn)行線(xiàn)路的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果拿來(lái)做對(duì)比，最后整理歸納了一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析的方法。

一、隨機(jī)振動(dòng)疲勞的基本理論

所謂的疲勞損傷，就是指外載荷往復(fù)所產(chǎn)生的損傷累積，也可以理解為是外載荷使材料性能慢慢遞減的一個(gè)過(guò)程。其中，外載荷可以分為兩個(gè)載荷，即等幅載荷和隨機(jī)載荷，不同的材料疲勞損傷是由于這兩者激勵(lì)過(guò)程的不同。應(yīng)力峰值的應(yīng)力幅是等幅載荷[1]，均方根值表達(dá)是隨機(jī)載荷的應(yīng)力幅表達(dá)方法。

軌道車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的激勵(lì)載荷具有隨機(jī)性。而這種隨機(jī)載荷會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)疲勞的壽命。我們可以從兩個(gè)方面進(jìn)行隨機(jī)震動(dòng)疲勞的載荷譜計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力相應(yīng)譜的分析。在頻域方面分析，可以通過(guò)計(jì)算來(lái)得到應(yīng)力功率譜特性的曲線(xiàn)。在時(shí)域方面分析，可以得到一個(gè)應(yīng)力的時(shí)間歷程特性曲線(xiàn)[2]。

本文采用了Ansys作為有限元分析軟件，仿真分析的輸入條件為原線(xiàn)路時(shí)域內(nèi)的加速度譜變換為頻率內(nèi)的載荷激勵(lì)譜，與Dirlik的公式和先行疲勞累積損傷法相結(jié)合來(lái)分析天線(xiàn)梁的疲勞問(wèn)題，從而來(lái)對(duì)其的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

二、分析天線(xiàn)梁的隨機(jī)振動(dòng)疲勞

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的端部有安裝天線(xiàn)梁。構(gòu)架端部通過(guò)傅里葉變化，轉(zhuǎn)化成頻域信號(hào)的載荷激勵(lì)譜，數(shù)據(jù)的截圖如下：

圖1

對(duì)天線(xiàn)梁進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真分析，可以通過(guò)輸入某地鐵縣里的實(shí)測(cè)載荷譜數(shù)據(jù)來(lái)分析。這一線(xiàn)路全程往返63千米的路程中，位于輔助安裝座和橫梁連接焊縫處是其載荷譜的天線(xiàn)梁結(jié)構(gòu)最大的累積損傷發(fā)生的位置，它的損傷值是3.67×10-5。根據(jù)線(xiàn)性的累積，在開(kāi)行350萬(wàn)千米時(shí)的損傷值是2.04，已經(jīng)大于了損傷規(guī)定的閥值1，并不滿(mǎn)足合同中要求的疲勞壽命。

因?yàn)闄M梁布局的位置剛度值略低，所以致使了局部模態(tài)也略低，從而不能滿(mǎn)足振動(dòng)疲勞的要求，這是通過(guò)對(duì)天線(xiàn)梁的疲勞薄弱點(diǎn)的分析和發(fā)現(xiàn)。所以，原結(jié)構(gòu)形成新型的雙筋板結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，需要在橫梁和輔助安裝座位置焊接加強(qiáng)筋板。雙筋板的結(jié)構(gòu)比單筋板穩(wěn)定，增加明顯的局部模態(tài)數(shù)值，從中可見(jiàn)，橫梁振動(dòng)疲勞要求可以通過(guò)雙筋板結(jié)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足[3]。

模擬優(yōu)化后的天線(xiàn)梁雙筋板結(jié)構(gòu)，分析依據(jù)頻率下的隨機(jī)振動(dòng)疲勞，在往返全程載荷譜的作用下，補(bǔ)強(qiáng)翼板的圓弧處是結(jié)構(gòu)最大累積損傷值發(fā)生的位置，而筋板母材處又是焊縫處的最大疲勞損位置所轉(zhuǎn)移的。

二、測(cè)試天線(xiàn)梁新型結(jié)構(gòu)的線(xiàn)路振動(dòng)疲勞

采集線(xiàn)路后，測(cè)試前處理包括尖峰濾波、50HZ工頻噪聲濾波、零漂修正和小波處理等等的原始數(shù)據(jù)。天線(xiàn)梁新型結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)，得到的動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)依據(jù)Miner線(xiàn)性累計(jì)損傷法則和材料(焊接接頭)的S-N曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)母材或焊縫的需用疲勞極限相結(jié)合，來(lái)評(píng)估天線(xiàn)梁測(cè)點(diǎn)的位置疲勞強(qiáng)度。兩次測(cè)試的動(dòng)應(yīng)力最大值和最小值、幅值是轉(zhuǎn)向架天線(xiàn)梁的新型結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)，如表1所示。能夠看出，線(xiàn)路測(cè)試的試驗(yàn)位置和結(jié)構(gòu)疲勞損傷薄弱的位置是相同的。而仿真的分析和試驗(yàn)損傷值之間的誤差僅為11%，分析出來(lái)的結(jié)果更是與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致性較好。所以，這個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)天線(xiàn)梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能夠起到至關(guān)重要的指導(dǎo)作用。

結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，服役天線(xiàn)梁也是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的道路。本來(lái)應(yīng)該是一個(gè)超高周疲勞，然而被試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)所限制，導(dǎo)致本文沒(méi)有考慮到材料超高周疲勞特性的變化。

另外，以轉(zhuǎn)向架天線(xiàn)梁的仿真分析結(jié)構(gòu)和實(shí)際的線(xiàn)路動(dòng)應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比看出，轉(zhuǎn)向架天線(xiàn)梁疲勞的真實(shí)運(yùn)行特點(diǎn)可以由隨機(jī)振動(dòng)的疲勞分析方法反應(yīng)，能夠有力地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的驗(yàn)證。在頻域分析中，我們運(yùn)用Ansys軟件，仿真分析的輸入條件可以用頻率內(nèi)的載荷激勵(lì)譜來(lái)替換線(xiàn)路時(shí)域內(nèi)的運(yùn)行加速度譜，從而使用Dirlik公式和線(xiàn)性疲勞累積損傷理論相結(jié)合的仿真分析體系，能夠良好的預(yù)測(cè)天線(xiàn)梁的疲勞問(wèn)題，從而對(duì)天線(xiàn)梁部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行指導(dǎo)和優(yōu)化。另外，其他隨機(jī)振動(dòng)的工程問(wèn)題也可以運(yùn)用著套方法進(jìn)行參考。