STX1型馱背運(yùn)輸車剛?cè)狁詈戏抡婕捌诜治?/h1>
2021-01-04 10:42:46魏鴻亮方吉李曉峰周曉坤賀茂盛
大連交通大學(xué)學(xué)報(bào) 2020年6期
魏鴻亮,方吉,,李曉峰,周曉坤,賀茂盛
(1.中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000;2.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院 ，遼寧 大連 116028 )*
STX1馱背運(yùn)輸車是適用于運(yùn)輸公路貨車的鐵路專用貨車，鐵路馱背式運(yùn)輸這種特殊的運(yùn)輸方式在歐美等國(guó)家發(fā)展將近百年，獲得比較豐富的運(yùn)輸、運(yùn)營(yíng)等方面的經(jīng)驗(yàn)[1-4].我國(guó)馱背式運(yùn)輸產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)屬于起步階段.2016年在中車齊齊哈爾車輛公司，我國(guó)首款鐵路馱背運(yùn)輸車通過鐵總樣車試用評(píng)審.
目前我國(guó)鐵路馱背式運(yùn)輸車主要用途為載運(yùn)汽車或半掛運(yùn)輸車輛，其裝卸方式比較獨(dú)特，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示[5-6]，車輛為兩輛一組，車組兩端分別布置手動(dòng)制動(dòng)裝置和車鉤緩沖裝置，車組中部采用關(guān)節(jié)聯(lián)接器連接，凹底車體承載結(jié)構(gòu).
該馱背運(yùn)輸車為了實(shí)現(xiàn)滾狀貨物的自動(dòng)裝卸的任務(wù)，于是設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的裝卸機(jī)構(gòu)，滿足集裝箱汽車的自動(dòng)裝卸要求.為了方便貨物的裝卸，所設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)與以往的鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)有很大的不同，另外兩節(jié)連掛的特殊編組方式都對(duì)該車的線路運(yùn)行帶來一定的安全隱患.
因此,為了考核軌道不平順激勵(lì)下，該車的動(dòng)力學(xué)性能及車體的抗疲勞能力是否滿足要求，建立該車整車的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算.為了考慮車體在運(yùn)動(dòng)過程中的彈性變形及模態(tài)振動(dòng)將車體制作成柔性體，在完成動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算之后，將車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間里程導(dǎo)出.引入模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計(jì)算車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊縫的振動(dòng)疲勞壽命，為該車車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論支持.
1 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型
該車車輛為兩輛一組，車組兩端分別布置手動(dòng)制動(dòng)裝置和車鉤緩沖裝置，車組中部采用關(guān)節(jié)聯(lián)接器連接,如圖2所示，凹底車體承載結(jié)構(gòu)，車上設(shè)有液壓和電氣系統(tǒng).主要結(jié)構(gòu)由車體、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、空氣制動(dòng)裝置、手動(dòng)制動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架(集成制動(dòng))、車鉤緩沖裝置等組成.
本次建模使用ADAMS/RAIL軟件將兩個(gè)車體視為一個(gè)車體進(jìn)行整體建模計(jì)算，其車組車體主要由2個(gè)端底架、2個(gè)凹底架車體、1個(gè)中部底架、4個(gè)轉(zhuǎn)向架組成.
該車的轉(zhuǎn)向架采用K6 性轉(zhuǎn)向架，其主要結(jié)構(gòu)有:搖枕、構(gòu)架、輪對(duì)、交叉桿等組成,如圖3所示.車體結(jié)構(gòu)采用柔性體建模，整體采用剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行建模分析計(jì)算.
車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由小底架、大底架、移動(dòng)軌道、小底架支撐裝置、鏈條傳動(dòng)裝置、大底架升降裝置、汽車止擋等組成.車體主要材料采用屈服強(qiáng)度為345MPa和450MPa的高強(qiáng)度耐候鋼.根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)該車車體進(jìn)行了1/2車體建模，通過鏡像的方式獲得整車有限元模型,其中車體剛結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行離散，部分安裝座結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元進(jìn)行離散,其中頭車車體模型共劃分殼單元733815個(gè)，節(jié)點(diǎn)691149個(gè).有限元模型見圖4.
采用Craig-Bampton模態(tài)綜合法制作車體的柔性體[7]，其中柔性體模態(tài)固定界面主模態(tài)40階，約束模態(tài)78階，剛體模態(tài)6階，經(jīng)過二次坐標(biāo)變換后獲得總共124階摸態(tài)，其中部分低階綜合模態(tài)見表1.
表1 車體結(jié)構(gòu)部分低階模態(tài)
單個(gè)貨物質(zhì)量為49 t，貨物以剛體來模擬，與車體之間通過地板上的交界面接口與貨物進(jìn)行連接，另外端底架、中部底架與柔性車體之間通過虛剛體過度進(jìn)行連接，裝配完整的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿缦聢D5所示.
2 線路運(yùn)行模擬仿真計(jì)算
STX1型馱背運(yùn)輸車線路運(yùn)行條件下，動(dòng)載荷主要來自于軌道.實(shí)際線路上存在的各種軌道不平順是由不同波長(zhǎng)、不同相位和不同幅值的隨機(jī)不平順波疊加而成的，是與線路里程有關(guān)的復(fù)雜隨機(jī)過程.國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒有比較權(quán)威的軌道不平順統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本次采用5級(jí)美國(guó)AAR軌道不平順譜[8].由于實(shí)際線路條件非常復(fù)雜，為了方便計(jì)算，仿真計(jì)算的工況設(shè)置：直線、曲線半徑1200m，曲線半徑600 m，曲線半徑300 m四種.根據(jù)軌道車輛曲線通過欠超高相關(guān)要求，其中直線速度為120 km/h，按曲線半徑速度級(jí)分別為100、80、60 km/h.圖6給出了直線仿真的車體橫向與垂向加速度時(shí)間歷程；圖7給出了曲線R300仿真的1位轉(zhuǎn)向架第1輪軸的脫軌系數(shù)與輪重減載率與垂向加速度時(shí)間歷程.
從表2動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果看，該車滿足GB5599—85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的動(dòng)力學(xué)各項(xiàng)的指標(biāo)要求，接下來采用模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計(jì)算并評(píng)估焊縫的疲勞壽命.
表2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果
3 基于模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的車體焊縫疲勞評(píng)估
圖8給出了焊縫處截面上的應(yīng)力分布因含有缺口應(yīng)力而呈現(xiàn)出高度的非線性特征.但是可以將這個(gè)高度非線性分布的應(yīng)力分解為兩部分：第一部分，只與外力相關(guān)且與外力互相平衡；第二部分是去掉第一部分剩下的那部分應(yīng)力，所以一定是自平衡的，這個(gè)分應(yīng)力稱之為缺口應(yīng)力.這是DONG P教授的一個(gè)非常巧妙的應(yīng)力分解，因?yàn)楦鶕?jù)力的平衡條件及結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算公式，第一部分應(yīng)力又可以再次分解為兩部分：膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力，而膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力又可以直接用結(jié)構(gòu)力學(xué)的公式計(jì)算，所以這二者之和被定義為結(jié)構(gòu)應(yīng)力[9-10].
為了將動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果應(yīng)用于焊縫的疲勞壽命計(jì)算與評(píng)估，模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法將結(jié)構(gòu)應(yīng)力的基本概念延伸至模態(tài)，形成模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法.
根據(jù)模態(tài)疊加理論可將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移響應(yīng)分解為各階模態(tài)響應(yīng)的疊加.
(1)
式中，{φj}為第j階模態(tài)振型向量，ξj(t) 是第j階模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程，{u(t)}是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移響應(yīng).
經(jīng)過相關(guān)線性推導(dǎo)可以將模態(tài)振型向量的疊加轉(zhuǎn)化為模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疊加[11].
(2)
主S-N曲線橫坐標(biāo)是次數(shù)，縱坐標(biāo)是等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍，因此需要在結(jié)構(gòu)應(yīng)力的基礎(chǔ)上通過等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算式(3)獲得等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍.
由于求解的結(jié)構(gòu)應(yīng)力是隨時(shí)間變化的，所以首先要對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，以獲得不同等級(jí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍及其循環(huán)次數(shù)，然后分別將不同等級(jí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍代入式(3)計(jì)算對(duì)應(yīng)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍，最后，利用式(4)計(jì)算焊線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的疲勞壽命.
(3)
(4)
式(4)為基于主S-N曲線的時(shí)域載荷作用下焊接結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命計(jì)算公式，其中Cd，h為主S-N曲線相關(guān)的參數(shù)，可以根據(jù)具體需求選取(產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通常取-2σ對(duì)應(yīng)的主S-N曲線)，k為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍劃分的等級(jí)數(shù)[12].
本次疲勞計(jì)算主要是通過剛?cè)狁詈戏抡娈a(chǎn)生的模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程和建立的凹底架柔性體進(jìn)行的，主要是利用自編軟件的模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)之前的凹底架有限元模型進(jìn)行焊縫疲勞計(jì)算.
為了模擬該車在我國(guó)既有主要線路上運(yùn)行的運(yùn)營(yíng)條件，按參考文獻(xiàn)[12]中統(tǒng)計(jì)了我國(guó)三條鐵路干線的曲線和支線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，給出了R300、R600、R1200及直線軌道里程所占的比例分別為2.99%、13.03%、7.49%、76.49%.按比例采用Miner線性損傷累計(jì)法進(jìn)行疲勞損傷統(tǒng)計(jì).根據(jù)計(jì)算結(jié)果從中提取了5條關(guān)鍵焊縫進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，其中5條關(guān)鍵焊縫的位置如圖9.5條焊縫中壽命最低的是第3條，其疲勞壽命為596萬(wàn)公里，達(dá)到了500萬(wàn)公里的設(shè)計(jì)使用壽命要求，另外本次計(jì)算采用全重車計(jì)算的結(jié)果評(píng)估疲勞壽命，實(shí)際上是空車和重車都占一定使用比例，因此本次計(jì)算結(jié)果偏于保守.
新設(shè)計(jì)的特種車輛，在車體載荷相關(guān)疲勞常幅載荷下的標(biāo)準(zhǔn)，目前常采用準(zhǔn)靜態(tài)法進(jìn)行疲勞分析，其疲勞壽命計(jì)算結(jié)果為次數(shù).車體實(shí)際載荷數(shù)據(jù)獲得較困難，因此假設(shè)車體載荷為：垂向載荷取最大載荷為57 t，由于全壽命周期內(nèi)車輛運(yùn)用的空重載荷比很難確定，在分析過程中采用全重車進(jìn)行分析.縱向拉伸載荷選取1 125 kN，縱向壓縮載荷選取1 400 kN，作為標(biāo)定載荷，選取與靜強(qiáng)度分析相同的縱向載荷.
車體結(jié)構(gòu)前6階是剛體模態(tài)，第7階才是結(jié)構(gòu)的第一個(gè)彈性振動(dòng)模態(tài)，圖10給出了直線模擬仿真獲得的第7階模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程，圖11 給出了第3條焊線疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)處的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)間歷程，圖12 給出了第3條焊線疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果.5條關(guān)鍵焊縫的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果見表3.
表3 模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法關(guān)鍵焊縫壽命評(píng)估結(jié)果
采用商用FE-safe疲勞軟件中的Verity焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析模塊，基于AAR標(biāo)準(zhǔn)中聯(lián)運(yùn)車重車垂、縱向載荷譜及英國(guó)BS7608標(biāo)準(zhǔn)中焊接接頭的疲勞性能數(shù)據(jù)，采用Miner線性損傷累計(jì)法進(jìn)行疲勞損傷統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明5條焊縫中疲勞損傷最大的是第3條，其損傷次數(shù)為1.58E-3，滿足焊縫疲勞累積損傷小于1的標(biāo)準(zhǔn).準(zhǔn)靜態(tài)法和模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法所得的評(píng)估結(jié)論基本一致,滿足疲勞要求.采用準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算的結(jié)果安全系數(shù)較高，而模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果偏于保守.
4 結(jié)論
通過STX1型馱背運(yùn)輸車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真及疲勞分析得出的主要結(jié)論如下：
(1)STX1型馱背運(yùn)輸車線路運(yùn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果中，最大脫軌0.43，最大輪種減載率0.39滿足曲線通過能力要求；橫向平穩(wěn)性3.28評(píng)價(jià)為優(yōu)，垂向平穩(wěn)性3.85評(píng)價(jià)等級(jí)為良，滿足平穩(wěn)性要求；
(2)將模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法與馱背運(yùn)輸車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真計(jì)算相結(jié)合形成了基于剛?cè)狁詈戏抡娴能壍儡囕v焊接結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命評(píng)估技術(shù)；
(3)5條焊縫的疲勞壽命均在500萬(wàn)公里以上，滿足設(shè)計(jì)使用壽命要求，其中疲勞壽命最低部位發(fā)生在第3條焊縫處，由于所裝載的卡車的輪胎對(duì)凹底架地板施加垂向載荷作用，而側(cè)墻立柱處在端底架與貨物之間的傳力路徑上所以壽命最低，相對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)法模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法結(jié)果更偏向于保守，實(shí)際運(yùn)用過程中該車的第3條焊縫處應(yīng)該予以關(guān)注.
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該馱背運(yùn)輸車為了實(shí)現(xiàn)滾狀貨物的自動(dòng)裝卸的任務(wù)，于是設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的裝卸機(jī)構(gòu)，滿足集裝箱汽車的自動(dòng)裝卸要求.為了方便貨物的裝卸，所設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)與以往的鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)有很大的不同，另外兩節(jié)連掛的特殊編組方式都對(duì)該車的線路運(yùn)行帶來一定的安全隱患.
因此,為了考核軌道不平順激勵(lì)下，該車的動(dòng)力學(xué)性能及車體的抗疲勞能力是否滿足要求，建立該車整車的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算.為了考慮車體在運(yùn)動(dòng)過程中的彈性變形及模態(tài)振動(dòng)將車體制作成柔性體，在完成動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算之后，將車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間里程導(dǎo)出.引入模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計(jì)算車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊縫的振動(dòng)疲勞壽命，為該車車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論支持.
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該車的轉(zhuǎn)向架采用K6 性轉(zhuǎn)向架，其主要結(jié)構(gòu)有:搖枕、構(gòu)架、輪對(duì)、交叉桿等組成,如圖3所示.車體結(jié)構(gòu)采用柔性體建模，整體采用剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行建模分析計(jì)算.
車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由小底架、大底架、移動(dòng)軌道、小底架支撐裝置、鏈條傳動(dòng)裝置、大底架升降裝置、汽車止擋等組成.車體主要材料采用屈服強(qiáng)度為345MPa和450MPa的高強(qiáng)度耐候鋼.根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)該車車體進(jìn)行了1/2車體建模，通過鏡像的方式獲得整車有限元模型,其中車體剛結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行離散，部分安裝座結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元進(jìn)行離散,其中頭車車體模型共劃分殼單元733815個(gè)，節(jié)點(diǎn)691149個(gè).有限元模型見圖4.
采用Craig-Bampton模態(tài)綜合法制作車體的柔性體[7]，其中柔性體模態(tài)固定界面主模態(tài)40階，約束模態(tài)78階，剛體模態(tài)6階，經(jīng)過二次坐標(biāo)變換后獲得總共124階摸態(tài)，其中部分低階綜合模態(tài)見表1.
表1 車體結(jié)構(gòu)部分低階模態(tài)
單個(gè)貨物質(zhì)量為49 t，貨物以剛體來模擬，與車體之間通過地板上的交界面接口與貨物進(jìn)行連接，另外端底架、中部底架與柔性車體之間通過虛剛體過度進(jìn)行連接，裝配完整的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿缦聢D5所示.
2 線路運(yùn)行模擬仿真計(jì)算
STX1型馱背運(yùn)輸車線路運(yùn)行條件下，動(dòng)載荷主要來自于軌道.實(shí)際線路上存在的各種軌道不平順是由不同波長(zhǎng)、不同相位和不同幅值的隨機(jī)不平順波疊加而成的，是與線路里程有關(guān)的復(fù)雜隨機(jī)過程.國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒有比較權(quán)威的軌道不平順統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本次采用5級(jí)美國(guó)AAR軌道不平順譜[8].由于實(shí)際線路條件非常復(fù)雜，為了方便計(jì)算，仿真計(jì)算的工況設(shè)置：直線、曲線半徑1200m，曲線半徑600 m，曲線半徑300 m四種.根據(jù)軌道車輛曲線通過欠超高相關(guān)要求，其中直線速度為120 km/h，按曲線半徑速度級(jí)分別為100、80、60 km/h.圖6給出了直線仿真的車體橫向與垂向加速度時(shí)間歷程；圖7給出了曲線R300仿真的1位轉(zhuǎn)向架第1輪軸的脫軌系數(shù)與輪重減載率與垂向加速度時(shí)間歷程.
從表2動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果看，該車滿足GB5599—85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的動(dòng)力學(xué)各項(xiàng)的指標(biāo)要求，接下來采用模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計(jì)算并評(píng)估焊縫的疲勞壽命.
表2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果
3 基于模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的車體焊縫疲勞評(píng)估
圖8給出了焊縫處截面上的應(yīng)力分布因含有缺口應(yīng)力而呈現(xiàn)出高度的非線性特征.但是可以將這個(gè)高度非線性分布的應(yīng)力分解為兩部分：第一部分，只與外力相關(guān)且與外力互相平衡；第二部分是去掉第一部分剩下的那部分應(yīng)力，所以一定是自平衡的，這個(gè)分應(yīng)力稱之為缺口應(yīng)力.這是DONG P教授的一個(gè)非常巧妙的應(yīng)力分解，因?yàn)楦鶕?jù)力的平衡條件及結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算公式，第一部分應(yīng)力又可以再次分解為兩部分：膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力，而膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力又可以直接用結(jié)構(gòu)力學(xué)的公式計(jì)算，所以這二者之和被定義為結(jié)構(gòu)應(yīng)力[9-10].
為了將動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果應(yīng)用于焊縫的疲勞壽命計(jì)算與評(píng)估，模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法將結(jié)構(gòu)應(yīng)力的基本概念延伸至模態(tài)，形成模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法.
根據(jù)模態(tài)疊加理論可將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移響應(yīng)分解為各階模態(tài)響應(yīng)的疊加.
(1)
式中，{φj}為第j階模態(tài)振型向量，ξj(t) 是第j階模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程，{u(t)}是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移響應(yīng).
經(jīng)過相關(guān)線性推導(dǎo)可以將模態(tài)振型向量的疊加轉(zhuǎn)化為模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疊加[11].
(2)
主S-N曲線橫坐標(biāo)是次數(shù)，縱坐標(biāo)是等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍，因此需要在結(jié)構(gòu)應(yīng)力的基礎(chǔ)上通過等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算式(3)獲得等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍.
由于求解的結(jié)構(gòu)應(yīng)力是隨時(shí)間變化的，所以首先要對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，以獲得不同等級(jí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍及其循環(huán)次數(shù)，然后分別將不同等級(jí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍代入式(3)計(jì)算對(duì)應(yīng)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍，最后，利用式(4)計(jì)算焊線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的疲勞壽命.
(3)
(4)
式(4)為基于主S-N曲線的時(shí)域載荷作用下焊接結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命計(jì)算公式，其中Cd，h為主S-N曲線相關(guān)的參數(shù)，可以根據(jù)具體需求選取(產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通常取-2σ對(duì)應(yīng)的主S-N曲線)，k為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍劃分的等級(jí)數(shù)[12].
本次疲勞計(jì)算主要是通過剛?cè)狁詈戏抡娈a(chǎn)生的模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程和建立的凹底架柔性體進(jìn)行的，主要是利用自編軟件的模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)之前的凹底架有限元模型進(jìn)行焊縫疲勞計(jì)算.
為了模擬該車在我國(guó)既有主要線路上運(yùn)行的運(yùn)營(yíng)條件，按參考文獻(xiàn)[12]中統(tǒng)計(jì)了我國(guó)三條鐵路干線的曲線和支線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，給出了R300、R600、R1200及直線軌道里程所占的比例分別為2.99%、13.03%、7.49%、76.49%.按比例采用Miner線性損傷累計(jì)法進(jìn)行疲勞損傷統(tǒng)計(jì).根據(jù)計(jì)算結(jié)果從中提取了5條關(guān)鍵焊縫進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，其中5條關(guān)鍵焊縫的位置如圖9.5條焊縫中壽命最低的是第3條，其疲勞壽命為596萬(wàn)公里，達(dá)到了500萬(wàn)公里的設(shè)計(jì)使用壽命要求，另外本次計(jì)算采用全重車計(jì)算的結(jié)果評(píng)估疲勞壽命，實(shí)際上是空車和重車都占一定使用比例，因此本次計(jì)算結(jié)果偏于保守.
新設(shè)計(jì)的特種車輛，在車體載荷相關(guān)疲勞常幅載荷下的標(biāo)準(zhǔn)，目前常采用準(zhǔn)靜態(tài)法進(jìn)行疲勞分析，其疲勞壽命計(jì)算結(jié)果為次數(shù).車體實(shí)際載荷數(shù)據(jù)獲得較困難，因此假設(shè)車體載荷為：垂向載荷取最大載荷為57 t，由于全壽命周期內(nèi)車輛運(yùn)用的空重載荷比很難確定，在分析過程中采用全重車進(jìn)行分析.縱向拉伸載荷選取1 125 kN，縱向壓縮載荷選取1 400 kN，作為標(biāo)定載荷，選取與靜強(qiáng)度分析相同的縱向載荷.
車體結(jié)構(gòu)前6階是剛體模態(tài)，第7階才是結(jié)構(gòu)的第一個(gè)彈性振動(dòng)模態(tài)，圖10給出了直線模擬仿真獲得的第7階模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程，圖11 給出了第3條焊線疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)處的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)間歷程，圖12 給出了第3條焊線疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果.5條關(guān)鍵焊縫的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果見表3.
表3 模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法關(guān)鍵焊縫壽命評(píng)估結(jié)果
采用商用FE-safe疲勞軟件中的Verity焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析模塊，基于AAR標(biāo)準(zhǔn)中聯(lián)運(yùn)車重車垂、縱向載荷譜及英國(guó)BS7608標(biāo)準(zhǔn)中焊接接頭的疲勞性能數(shù)據(jù)，采用Miner線性損傷累計(jì)法進(jìn)行疲勞損傷統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明5條焊縫中疲勞損傷最大的是第3條，其損傷次數(shù)為1.58E-3，滿足焊縫疲勞累積損傷小于1的標(biāo)準(zhǔn).準(zhǔn)靜態(tài)法和模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法所得的評(píng)估結(jié)論基本一致,滿足疲勞要求.采用準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算的結(jié)果安全系數(shù)較高，而模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果偏于保守.
4 結(jié)論
通過STX1型馱背運(yùn)輸車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真及疲勞分析得出的主要結(jié)論如下：
(1)STX1型馱背運(yùn)輸車線路運(yùn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果中，最大脫軌0.43，最大輪種減載率0.39滿足曲線通過能力要求；橫向平穩(wěn)性3.28評(píng)價(jià)為優(yōu)，垂向平穩(wěn)性3.85評(píng)價(jià)等級(jí)為良，滿足平穩(wěn)性要求；
(2)將模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法與馱背運(yùn)輸車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真計(jì)算相結(jié)合形成了基于剛?cè)狁詈戏抡娴能壍儡囕v焊接結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命評(píng)估技術(shù)；
(3)5條焊縫的疲勞壽命均在500萬(wàn)公里以上，滿足設(shè)計(jì)使用壽命要求，其中疲勞壽命最低部位發(fā)生在第3條焊縫處，由于所裝載的卡車的輪胎對(duì)凹底架地板施加垂向載荷作用，而側(cè)墻立柱處在端底架與貨物之間的傳力路徑上所以壽命最低，相對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)法模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法結(jié)果更偏向于保守，實(shí)際運(yùn)用過程中該車的第3條焊縫處應(yīng)該予以關(guān)注.
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