孫博飛,薛寧鑫

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心,吉林 長春 130062)

0 引 言

為了滿足軌道車輛對正常運行及載客能力的需求，通常會在車下布置許多設(shè)備來實現(xiàn)其功能。如何保障設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的強度，使其不影響設(shè)備正常運轉(zhuǎn)和列車行車安全就成為了車輛設(shè)計的重要一環(huán)。目前許多學(xué)者對于車下設(shè)備安裝座、吊掛梁以及安裝螺栓的靜強度與疲勞強度均做過較多的研究與優(yōu)化設(shè)計[1-11]，多數(shù)是對于車下常見的較重設(shè)備進(jìn)行分析，很少有針對小質(zhì)量設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的強度校核。但在近些年的車輛運營過程中，這些容易被人忽視的小質(zhì)量設(shè)備的安裝結(jié)構(gòu)的疲勞問題愈發(fā)突出。這是由于采用懸臂式安裝結(jié)構(gòu)的小質(zhì)量設(shè)備其垂向重心距離安裝點較遠(yuǎn)，在車輛運行中受到激擾時會對安裝點產(chǎn)生較大的力矩所決定的，且車輛在運行過程中所受的激勵是隨機的。因此如何準(zhǔn)確校核此類設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的強度也顯得尤為重要。

筆者針對某軌道車輛車下吊裝設(shè)備的懸臂式安裝支架的裂紋問題，分別依據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)與IEC61373標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行靜強度與疲勞強度對比分析，并基于分析結(jié)果對安裝支架進(jìn)行了抗疲勞結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使其最終滿足設(shè)計要求。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與有限元模型

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

該軌道車輛車下設(shè)備重量為7 kg，在實際運營過程中，安裝支架與底架主橫梁之間的焊縫位置產(chǎn)生了疲勞裂紋。安裝結(jié)構(gòu)由兩根支架組成，支架長度為880 mm，支架根部與底架主橫梁焊接，設(shè)備通過螺栓連接在支架端部處，組成懸臂式結(jié)構(gòu)，安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，實際焊縫開裂位置如圖2所示，結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)見表1所列。

圖1 設(shè)備吊裝結(jié)構(gòu) 圖2 裂紋發(fā)生位置

表1 安裝支架及主橫梁材料性能參數(shù)

1.2 設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)設(shè)備安裝支架的三維實體模型，以及各部件之間的連接關(guān)系對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模。底架橫梁與安裝支架采用殼單元模擬，螺栓采用梁單元進(jìn)行模擬，并根據(jù)實際焊縫尺寸以殼單元模擬安裝支架與底架橫梁之間的焊縫。設(shè)備以集中質(zhì)量方式施加在重心位置。為了計算的準(zhǔn)確性，截取一部分底架，在遠(yuǎn)離安裝支架區(qū)域進(jìn)行約束，有限元模型見圖3。

圖3 設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)有限元模型

2 載荷工況

EN12663標(biāo)準(zhǔn)中明確了在車輛運行過程中作用于車輛附屬設(shè)備上的加速度大小，并規(guī)定了附屬設(shè)備疲勞強度應(yīng)滿足的加速度等級以及載荷循環(huán)次數(shù)。EN12663標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)強度分析工況見表2所列。

表2 EN12663標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備安裝強度分析工況

IEC61373標(biāo)準(zhǔn)中基于設(shè)備安裝位置區(qū)分了設(shè)備等級，并對不同等級分別規(guī)定了沖擊加速度及隨機振動功率譜，并明確了疲勞強度評估標(biāo)準(zhǔn)為5 h累積損傷小于1。依據(jù)IEC61373標(biāo)準(zhǔn)，此設(shè)備屬于1類A級，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的沖擊加速度峰值大小以及ASD功率譜，此設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)強度分析工況見表3。

3 強度分析

3.1 靜強度評估方法

靜強度基于第四強度理論的等效應(yīng)力進(jìn)行評估。即通過比較計算的Von-Mises應(yīng)力與材料的屈服強度來判定，當(dāng)安全系數(shù)大于1.0時認(rèn)為結(jié)構(gòu)靜強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，安全系數(shù)采用以下公式進(jìn)行計算：

(1)

式中：S為安全系數(shù)；σAllowable為材料屈服強度，σCalculated為計算應(yīng)力。

表3 IEC61373標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備安裝強度分析工況

3.2 疲勞強度評估方法

疲勞強度采用累積損傷法進(jìn)行疲勞強度評估，即累積損傷小于1.0則認(rèn)為結(jié)構(gòu)疲勞強度滿足要求。累積損傷按照Miner累積損傷公式進(jìn)行計算，Miner累積損傷公式如下[12]：

(2)

式中：D為累積損傷值；ni為第i個載荷的重復(fù)次數(shù)，Ni為在第i個載荷作用下達(dá)到失效情況的循環(huán)次數(shù)。

3.3 靜強度計算結(jié)果

基于兩個標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)靜強度分析結(jié)果如表4、5所列。可知，基于兩個標(biāo)準(zhǔn)計算所得設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均小于許用值，靜強度滿足設(shè)計要求?；贗EC61373標(biāo)準(zhǔn)的計算應(yīng)力均大于EN12663標(biāo)準(zhǔn)。最大計算應(yīng)力發(fā)生在橫向沖擊工況，最大應(yīng)力為136.92MPa，發(fā)生在支架與橫梁焊縫位置，應(yīng)力云圖參見圖4。這是由于該結(jié)構(gòu)為懸臂式結(jié)構(gòu)，支架與橫梁焊縫位置為懸臂結(jié)構(gòu)的固定端，該設(shè)備重心距離此處較遠(yuǎn)，在設(shè)備受到?jīng)_擊時對懸臂固定端產(chǎn)生較大力矩所致。

表4 EN12663標(biāo)準(zhǔn)安裝結(jié)構(gòu)靜強度計算結(jié)果

表5 IEC61373標(biāo)準(zhǔn)安裝結(jié)構(gòu)靜強度計算結(jié)果

圖4 安裝支架Von.Mises應(yīng)力云圖

3.4 疲勞強度計算結(jié)果

疲勞強度評估參照BS 7608標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)安裝支架與主橫梁焊接接頭類型，選取標(biāo)準(zhǔn)中與之類似的G級焊接接頭的S-N曲線進(jìn)行評估。

表6所列為基于EN12663標(biāo)準(zhǔn)采用名義應(yīng)力法計算所得安裝結(jié)構(gòu)在各個工況下的疲勞累積損傷值與發(fā)生位置信息，由表6可知，安裝結(jié)構(gòu)累積損傷主要取決于橫向振動疲勞工況，最大應(yīng)力變化范圍為16.35MPa，最大疲勞累積損傷值為0.165，小于累積損傷允許值1.0，滿足疲勞設(shè)計要求。疲勞危險點位置為安裝支架與主橫梁焊縫端部，與實際運營過程產(chǎn)生疲勞裂紋位置一致。應(yīng)力云圖如圖5所示。

表6 EN12663標(biāo)準(zhǔn)疲勞計算結(jié)果

IEC61373標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷為加速度頻譜密度，因此，采用模態(tài)疊加法并結(jié)合Ncode軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機振動疲勞強度分析，計算出結(jié)構(gòu)在各方向上1 s的損傷，進(jìn)而得到5 h累積損傷。

模態(tài)疊加法是指通過模態(tài)分析，利用模態(tài)頻率和模態(tài)振型等信息對物理坐標(biāo)系下的運動方程進(jìn)行模態(tài)坐標(biāo)變換與方程解耦，將其轉(zhuǎn)換成模態(tài)坐標(biāo)系下的一系列單自由度方程，通過求解模態(tài)坐標(biāo)響應(yīng)，再進(jìn)行組合疊加，得到原物理坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)[13]。

圖5 EN12663標(biāo)準(zhǔn)安裝支架與橫梁主應(yīng)力云圖

表7所列為基于IEC61373標(biāo)準(zhǔn)采用模態(tài)疊加法進(jìn)行隨機振動疲勞分析所得安裝結(jié)構(gòu)在各個工況下的疲勞累積損傷值與發(fā)生位置信息，由表中結(jié)果可知，累積損傷最大值位于安裝支架與主橫梁焊縫端部，與實際運營過程產(chǎn)生疲勞裂紋位置一致，累積損傷最大值為27.6，大于損傷臨界值1.0，表明疲勞強度不滿足設(shè)計要求。其中垂向載荷對損傷貢獻(xiàn)最大，其損傷云圖如圖6所示。

表7 IEC61373標(biāo)準(zhǔn)疲勞計算結(jié)果

圖6 IEC61373標(biāo)準(zhǔn)垂向工況單位時間損傷

基于模態(tài)疊加法所計算的累積損傷要遠(yuǎn)大于基于名義應(yīng)力法所計算的累積損傷。這是由于受設(shè)備重量的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在加速度疲勞載荷作用下的名義應(yīng)力值較小，而基于模態(tài)疊加法的隨機振動疲勞強度分析考慮了結(jié)構(gòu)振動模態(tài)對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響，受設(shè)備重量影響較小的緣故。

由表7可以看出，隨機振動載荷所造成的振動疲勞是影響該懸臂式安裝結(jié)構(gòu)疲勞壽命的主要因素，對于小質(zhì)量設(shè)備懸臂式安裝結(jié)構(gòu)而言，隨機振動疲勞分析更能有效校核結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 優(yōu)化方案

為了增加安裝支架與主橫梁之間焊縫的疲勞強度，在支架位置增加背板，同時增加支架與橫梁之間的焊縫，從而達(dá)到提高支架與橫梁之間焊縫的承載能力的目的，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)有限元模型

表8給出了改進(jìn)后安裝結(jié)構(gòu)各部位采用模態(tài)疊加法計算累積損傷的最大值及其位置?？芍Y(jié)構(gòu)經(jīng)改進(jìn)后，安裝支架最大疲勞損傷位置由支架與橫梁之間焊縫轉(zhuǎn)移到背板端部與支架焊縫，最大累計損傷值為0.63，小于疲勞損傷限界1.0，結(jié)構(gòu)滿足疲勞設(shè)計要求，其損傷云圖如圖8所示。

表8 優(yōu)化后IEC61373標(biāo)準(zhǔn)疲勞計算結(jié)果

圖8 優(yōu)化方案垂向工況單位時間損傷

通過對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強度分析與抗疲勞結(jié)構(gòu)改進(jìn)，為提高此結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提供理論依據(jù)的同時也驗證了名義應(yīng)力法與模態(tài)疊加法兩種方法對小質(zhì)量設(shè)備懸臂式安裝結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測的有效性。

5 結(jié) 論

針對某軌道車輛車下小質(zhì)量設(shè)備懸臂式安裝結(jié)構(gòu)疲勞裂紋問題，分別基于EN12663標(biāo)準(zhǔn)與IEC61373標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行靜強度分析，采用名義應(yīng)力法與模態(tài)疊加法進(jìn)行了疲勞強度分析，并依據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以得到如下結(jié)論。

(1) 設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)在EN12663標(biāo)準(zhǔn)與IEC61373標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷工況作用下的靜強度計算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，最小安全系數(shù)分別為7.21與2.52，均大于許用值1.0，靜強度滿足設(shè)計要求。

(2) 基于模態(tài)疊加法的隨機振動疲勞分析相對于名義應(yīng)力法更能準(zhǔn)確預(yù)測小質(zhì)量設(shè)備懸臂式安裝結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

(3) 經(jīng)過抗疲勞結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將該設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的累積損傷由27.6降低為0.63，有效地提高了該結(jié)構(gòu)的疲勞強度，為提升類似設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能提供了參考。