李傳迎，李鵬，吳興文，董曉華

基于剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)的高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架振動(dòng)疲勞研究

李傳迎1，李鵬1，吳興文*,2，董曉華3

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

構(gòu)建了考慮轉(zhuǎn)向架構(gòu)架高頻柔性的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，結(jié)合模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)方法實(shí)現(xiàn)了考慮軌道激勵(lì)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力求解。基于該模型，提出一種基于典型服役模式掃頻激勵(lì)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動(dòng)態(tài)薄弱位置識別方法，研究了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架薄弱位置動(dòng)應(yīng)力在典型服役工況下的應(yīng)力特征和各特征工況損傷；最后，結(jié)合京廣線路分布特征，研究了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架薄弱位置的損傷。結(jié)果表明：基于典型服役模式掃頻激勵(lì)識別的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)薄弱位置，能夠包含傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)方法識別的靜態(tài)薄弱位置，同時(shí)可以識別薄弱位置的敏感頻帶；曲線半徑對轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵位置損傷具有顯著影響，隨著曲線半徑的減小損傷顯著增大；考慮京廣線曲線和直線分布特征，計(jì)算得到的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵位置損傷滿足1200萬公里設(shè)計(jì)壽命的要求。

高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)；模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)；靜態(tài)薄弱位置；動(dòng)態(tài)薄弱位置

高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在實(shí)際運(yùn)營過程中既要承受來自車體的低頻載荷，又要承受來自輪軌的高頻載荷。針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，傳統(tǒng)方法主要參照EN13749[1]、UIC[2]和JIS[3]等標(biāo)準(zhǔn)，使用準(zhǔn)靜態(tài)方法進(jìn)行校核。該方法一般只能模擬車體自上而下的低頻載荷，低估了實(shí)際服役過程中輪軌高頻載荷對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的影響，難以識別構(gòu)架結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)對薄弱位置的貢獻(xiàn)[4]，從而使得轉(zhuǎn)向架部件，特別是轉(zhuǎn)向架的附屬部件，在實(shí)際服役過程中容易遭受輪軌高頻振動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞問題。

任尊松等[5]通過有限單元法和動(dòng)力學(xué)理論建立了完整的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，并通過模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法得到了柔性構(gòu)架的動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)，為振動(dòng)疲勞壽命的評估奠定了基礎(chǔ)。盧耀輝等[6]通過對僅考慮構(gòu)架主體柔性的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型與剛體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)柔性構(gòu)架垂向加速度響應(yīng)遠(yuǎn)大于剛性構(gòu)架；而且隨著頻率的增大，由于構(gòu)架自身結(jié)構(gòu)彈性振動(dòng)，柔性構(gòu)架對響應(yīng)的影響突出，剛性構(gòu)架對響應(yīng)的影響則趨于衰減；最后利用多項(xiàng)式擬合法和Miner線性累計(jì)損傷理論對構(gòu)架的裂紋擴(kuò)展壽命進(jìn)行了計(jì)算。王蕾等[7]利用準(zhǔn)靜態(tài)方法對構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，并確定構(gòu)架靜態(tài)薄弱位置，其次利用SIMPACK動(dòng)力學(xué)模型和快速傅里葉變換得到加速度功率譜，最后利用模態(tài)疊加法、Steinberg三區(qū)間法和累計(jì)損傷理論對焊縫位置的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行壽命評估，發(fā)現(xiàn)與橫向和縱向相比，由于構(gòu)架垂向剛度小，垂向加速度激勵(lì)對構(gòu)架的損傷影響最大。朱濤等[8]首先利用傅里葉變換對時(shí)域數(shù)據(jù)與頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，然后利用三次樣條插值法獲得速度與加速度關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，最后基于頻域法對構(gòu)架薄弱位置的疲勞壽命進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)在基于頻域法進(jìn)行壽命評估時(shí)，利用位移激勵(lì)、速度激勵(lì)或者加速度激勵(lì)轉(zhuǎn)化出的頻域信號計(jì)算得到的構(gòu)架壽命差別很小。張麗等[9]研究了考慮構(gòu)架彈性振動(dòng)響應(yīng)與不考慮構(gòu)架彈性振動(dòng)響應(yīng)對某車體構(gòu)架疲勞壽命的影響，對比發(fā)現(xiàn)，考慮構(gòu)架彈性振動(dòng)后，測點(diǎn)累計(jì)損傷值更大，疲勞壽命只有原設(shè)計(jì)壽命的1/3，甚至更低，由此可見，構(gòu)架彈性振動(dòng)對構(gòu)架的影響不可忽略。

實(shí)際服役條件下，構(gòu)架彈性振動(dòng)會(huì)引起構(gòu)架薄弱位置的動(dòng)態(tài)變化，稱為動(dòng)態(tài)薄弱位置[10]，而由準(zhǔn)靜態(tài)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力薄弱位置稱為靜態(tài)薄弱位置。動(dòng)態(tài)薄弱位置與靜態(tài)薄弱位置相輔相成，可以更加全面地掌握構(gòu)架的薄弱位置，對構(gòu)架的抗疲勞設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文基于柔性體建模理論和模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法，建立了考慮構(gòu)架柔性的高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型；依據(jù)UIC 615-4[2]，基于構(gòu)架有限元模型，對構(gòu)架進(jìn)行靜態(tài)薄弱位置識別；基于構(gòu)架掃頻模型，通過模擬浮沉、點(diǎn)頭、側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)四種工況，對構(gòu)架進(jìn)行動(dòng)態(tài)薄弱位置識別。在此基礎(chǔ)上，基于京廣線路條件，研究分析不同曲線半徑對構(gòu)架特征應(yīng)力譜的影響，最后基于Miner線性累計(jì)損傷理論和材料-曲線對構(gòu)架薄弱位置進(jìn)行壽命評估。

1 基于模態(tài)法的高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

高速列車構(gòu)架在實(shí)際服役過程中，會(huì)受到來自車體自上而下的低頻載荷和來自輪軌之間的高頻激勵(lì)載荷。輪軌高頻激勵(lì)載荷一般通過輪對軸箱和一系懸掛系統(tǒng)傳遞至構(gòu)架，從而引發(fā)構(gòu)架結(jié)構(gòu)模態(tài)共振，最終導(dǎo)致構(gòu)架疲勞失效。傳統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型只能反映系統(tǒng)的低頻特性，不能考慮構(gòu)架彈性振動(dòng)帶來的影響。為此，本文從大系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)的角度研究高速列車構(gòu)架振動(dòng)疲勞特性。首先基于有限元法建立高速列車構(gòu)架有限元模型，構(gòu)架有限元網(wǎng)格采用SOLID185實(shí)體單元，共劃分675173個(gè)單元和215291個(gè)節(jié)點(diǎn)；然后基于模態(tài)綜合法和高速列車動(dòng)力學(xué)模型建立考慮構(gòu)架柔性的高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。其中，鋼軌外形采用CN60，車輪踏面外形采用LMA，模型中橫向止擋、抗蛇行減振器的非線性特性均采用分段線性方式來描述。

圖1 高速列車剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

相對于構(gòu)架參考坐標(biāo)系，有：

(,)＝＋(,) （1）

式中：為構(gòu)架上任意點(diǎn)位置坐標(biāo)；(,)為點(diǎn)彈性振動(dòng)；(,)為點(diǎn)彈性振動(dòng)響應(yīng)。

根據(jù)模態(tài)疊加法，有：

(,)＝() （2）

式中：為模態(tài)矩陣；()為構(gòu)架各階模態(tài)正則坐標(biāo)。

根據(jù)模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法，有：

式中：為彈性振動(dòng)導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力；n為模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法中考慮的模態(tài)數(shù)目；σ為第階模態(tài)應(yīng)力；q為第階模態(tài)坐標(biāo)。

在本文的研究中，考慮了構(gòu)架1000 Hz以內(nèi)的柔性模態(tài)，構(gòu)架前5階模態(tài)如圖2所示。

2 構(gòu)架薄弱位置識別

大量研究表明，結(jié)構(gòu)失效主要起始于結(jié)構(gòu)的薄弱位置，因此如何準(zhǔn)確又全面地識別構(gòu)架薄弱位置是構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。構(gòu)架在準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力薄弱位置稱為靜態(tài)薄弱位置；在實(shí)際服役過程中，由于動(dòng)態(tài)激勵(lì)（如鋼軌波磨、車輪多邊形等）引起構(gòu)架高頻彈性振動(dòng)而導(dǎo)致構(gòu)架產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置稱為動(dòng)態(tài)薄弱位置。為此首先基于UIC 615-4[2]利用以往的準(zhǔn)靜態(tài)分析方法對構(gòu)架靜態(tài)薄弱位置進(jìn)行識別，然后利用考慮構(gòu)架柔性的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)掃頻模型，使用掃頻方法模擬構(gòu)架各種服役模式，以識別構(gòu)架動(dòng)態(tài)薄弱位置。

2.1 構(gòu)架靜態(tài)薄弱位置識別

為識別構(gòu)架靜態(tài)薄弱位置，基于UIC 615-4定義邊界條件，并編制13個(gè)靜強(qiáng)度組合工況，模擬高速列車在實(shí)際服役過程中經(jīng)常承受的載荷，主要包括垂向載荷、橫向載荷和軌道扭曲等。結(jié)果表明，基于UIC 615-4規(guī)定的各組工況下，構(gòu)架最大等效應(yīng)力為150.1 MPa，位置為轉(zhuǎn)臂座拐角焊縫區(qū)域，小于構(gòu)架材料焊縫區(qū)許用應(yīng)力215 MPa，因此構(gòu)架滿足靜強(qiáng)度要求。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架薄弱位置區(qū)域主要如圖3所示。

2.2 構(gòu)架動(dòng)態(tài)薄弱位置識別

基于準(zhǔn)靜態(tài)方法得到的靜態(tài)薄弱位置，既不能完全反映構(gòu)架關(guān)鍵薄弱點(diǎn)，又不能反映構(gòu)架彈性共振對關(guān)鍵位置應(yīng)力的貢獻(xiàn)量，因此，有必要對高速列車在實(shí)際服役條件下的動(dòng)態(tài)薄弱位置展開研究。

圖2 構(gòu)架振型及頻率

圖3 構(gòu)架靜態(tài)薄弱位置

利用考慮構(gòu)架柔性的高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，結(jié)合模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法，考慮線路中可能存在的激勵(lì)頻率，將其中的車輪及軌道刪除，保留車軸。在軸箱位置處設(shè)立幅值為2 mm、頻率從小變化到800 Hz的正弦掃頻激勵(lì)，仿真60 s，并設(shè)置正弦掃頻激勵(lì)的方向，可組合出構(gòu)架沉浮、點(diǎn)頭、側(cè)滾及扭轉(zhuǎn)等激勵(lì)形式，從而得到能激起構(gòu)架高頻模態(tài)的掃頻模型，以反映構(gòu)架在實(shí)際服役過程中可能出現(xiàn)的振動(dòng)情況，分析各種激勵(lì)頻率條件下構(gòu)架的動(dòng)態(tài)薄弱位置。具體掃頻激勵(lì)施加示意圖如圖4和表1所示。

表1 各種掃頻激勵(lì)模式

注：表示垂向向下，-表示垂向向上。

通過掃頻分析，高速列車構(gòu)架動(dòng)態(tài)薄弱位置主要如圖5所示。

圖4 掃頻激勵(lì)及其示意圖

圖5 構(gòu)架動(dòng)態(tài)薄弱位置

圖6給出了浮沉掃頻激勵(lì)下構(gòu)架幾個(gè)關(guān)鍵位置的動(dòng)應(yīng)力頻譜圖。結(jié)果表明，關(guān)鍵薄弱位置在49 Hz、62.8 Hz、80 Hz、97 Hz、125 Hz和161.8 Hz附近出現(xiàn)明顯的共振峰值。其中49 Hz與構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)模態(tài)（46.13 Hz）發(fā)生共振；97 Hz與構(gòu)架菱形變形模態(tài)（97.59 Hz）發(fā)生共振；125 Hz與構(gòu)架側(cè)梁同向橫彎模態(tài)（124 Hz）發(fā)生共振；161.8 Hz與構(gòu)架側(cè)梁異向垂彎模態(tài)（168.3 Hz）發(fā)生共振，構(gòu)架菱形變形模態(tài)對構(gòu)架薄弱位置的影響較大。構(gòu)架關(guān)鍵位置在共振區(qū)域應(yīng)力數(shù)倍增大，是導(dǎo)致高速列車構(gòu)架振動(dòng)疲勞失效的主要原因，因此適當(dāng)重新修改設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在實(shí)際服役過程中不再與構(gòu)架自由模態(tài)發(fā)生共振，對高速列車安全運(yùn)行具有重要意義。62.8 Hz和80 Hz初步推斷為與轉(zhuǎn)向架局部彈性振動(dòng)模態(tài)發(fā)生共振，但仍不排除由鋼軌波磨和車輪多邊形導(dǎo)致。

對比構(gòu)架靜態(tài)薄弱位置可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)架動(dòng)態(tài)薄弱位置更加全面地反映了構(gòu)架關(guān)鍵薄弱位置，而且根據(jù)構(gòu)架自由模態(tài)和關(guān)鍵位置時(shí)頻譜圖，既可以分析共振區(qū)域，又可以直觀分析構(gòu)架彈性共振對關(guān)鍵位置應(yīng)力的影響。

圖6 浮沉激勵(lì)模式下關(guān)鍵部位頻域響應(yīng)

3 構(gòu)架薄弱位置動(dòng)應(yīng)力及損傷研究

高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在實(shí)際服役條件下，主要受到線路幾何和軌道不平順導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)載荷。為明確線路曲線半徑對構(gòu)架關(guān)鍵薄弱位置應(yīng)力的影響，本節(jié)基于京廣線路條件、考慮構(gòu)架柔性的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，研究了同一速度下不同曲線半徑對構(gòu)架薄弱位置動(dòng)應(yīng)力的影響，并利用雨流技術(shù)法和國際焊接學(xué)會(huì)IIW標(biāo)準(zhǔn)的焊接接頭-曲線（疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線）對構(gòu)架薄弱位置的壽命進(jìn)行評估。

3.1 薄弱位置動(dòng)應(yīng)力分析

根據(jù)京廣線路實(shí)際曲線比例和特點(diǎn)，取半徑800 m、1200 m、2500 m、6000 m和14000 m（直線）共計(jì)5種曲線，速度均為300 km/h，以武廣譜作為軌道不平順激勵(lì)，分析構(gòu)架關(guān)鍵位置動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)，圖7給出了側(cè)梁內(nèi)立板與上蓋板焊縫時(shí)域與頻域圖。

結(jié)果表明：速度保持不變時(shí)，隨著曲線半徑的減小，側(cè)梁內(nèi)立板與上蓋板焊縫區(qū)域動(dòng)應(yīng)力呈明顯增大的趨勢，特別是800 m曲線半徑情況下動(dòng)應(yīng)力幅值明顯大于直線狀態(tài)。由此說明，曲線半徑減小會(huì)使車輛穩(wěn)定性下降，從而導(dǎo)致高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架振動(dòng)加劇，惡化構(gòu)架薄弱位置動(dòng)應(yīng)力。由圖7（b）可知，構(gòu)架振動(dòng)能量主要分布在6.75 Hz、11.07 Hz、28.1 Hz、43.2 Hz、63.1 Hz和97.3 Hz附近。6.75 Hz、11.07 Hz和28.1 Hz左右振動(dòng)能量最大主要是由于高速列車通過曲線時(shí)側(cè)滾和離心力作用激發(fā)了構(gòu)架剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)，其中構(gòu)架浮沉模態(tài)（6.73 Hz）、構(gòu)架橫移模態(tài)（11.02 Hz）和構(gòu)架側(cè)滾模態(tài)（27.15 Hz）對構(gòu)架關(guān)鍵位置動(dòng)應(yīng)力貢獻(xiàn)較大；43.2 Hz和97.3 Hz附近動(dòng)應(yīng)力明顯增大是由于激發(fā)了構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)模態(tài)和菱形變形模態(tài)。從圖中還可以看出，隨著線路曲線半徑減小，構(gòu)架關(guān)鍵位置振動(dòng)能量逐漸增大，由此說明線路曲線半徑變化對構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力的影響不可忽略。

圖7 側(cè)梁內(nèi)立板與上蓋板焊縫區(qū)域動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)頻圖

3.2 薄弱位置損傷分析

經(jīng)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)的疲勞失效往往起始于結(jié)構(gòu)薄弱位置，本小節(jié)主要針對構(gòu)架幾個(gè)關(guān)鍵薄弱位置，分析在同一速度不同曲線半徑下，動(dòng)應(yīng)力對構(gòu)架關(guān)鍵薄弱位置疲勞壽命的影響。首先基于高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到車輛以300 km/h的速度通過1 km不同曲線半徑下構(gòu)架關(guān)鍵薄弱位置的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)，然后基于雨流計(jì)數(shù)法和國際焊接學(xué)會(huì)IIW標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊接接頭-曲線（圖8），計(jì)算構(gòu)架關(guān)鍵薄弱位置的損傷，如圖9所示。

結(jié)果表明，小曲線半徑（≤3500 m）對構(gòu)架薄弱位置損傷明顯大于大半徑曲線和直線，而且當(dāng)曲線半徑小于等于3500 m時(shí)，隨著曲線半徑的減小，動(dòng)應(yīng)力對構(gòu)架薄弱位置的損傷逐漸增大。當(dāng)曲線半徑大于3500 m時(shí)，曲線半徑對構(gòu)架損傷的影響基本保持不變。

圖8 焊接接頭S-N曲線

4 高速列車構(gòu)架振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測

高速列車構(gòu)架作為主要傳力部件，其疲勞可靠性是保證車輛高速、穩(wěn)定和安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本節(jié)以京廣線線路條件和高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用威布爾分布和Miner線性累計(jì)損傷理論對構(gòu)架關(guān)鍵薄弱位置的振動(dòng)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。京廣線全程2298 km，其中曲線半徑小于14000 m的線路占總里程的38.49%，如表2所示。對京廣線路曲直信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以威布爾分布進(jìn)行參數(shù)擬合，擬合曲線及參數(shù)如圖10所示。

表2 京廣線路曲直信息

圖9 不同曲線半徑通過情況下構(gòu)架關(guān)鍵薄弱位置損傷

圖10 曲線概率密度及概率分布

為反映高速列車通過各曲線半徑的實(shí)際情況，首先基于圖10進(jìn)行兩萬個(gè)點(diǎn)的隨機(jī)抽樣，模擬高速列車運(yùn)行兩萬公里時(shí)通過各曲線半徑的情況，并根據(jù)京廣線路實(shí)際曲線半徑進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)，如圖11所示。然后根據(jù)Miner線性累積損傷理論和高速列車在不同曲線半徑通過情況下構(gòu)架薄弱位置的損傷（圖9），計(jì)算得到高速列車運(yùn)行2萬公里時(shí)構(gòu)架關(guān)鍵薄弱位置的損傷，如表3所示。最后將Miner線性累計(jì)損傷理論轉(zhuǎn)化為里程公式計(jì)算總損傷等于1時(shí)的安全運(yùn)行公里數(shù)，如圖12所示。

圖11 抽樣區(qū)間及抽樣統(tǒng)計(jì)

表3 兩萬公里薄弱位置累計(jì)損傷

圖12 估計(jì)壽命里程

結(jié)果表明，基于威布爾分布和Miner線性累計(jì)損傷原則計(jì)算得到最大損傷為1.03×10-3，出現(xiàn)位置為轉(zhuǎn)臂座拐角焊縫區(qū)域，預(yù)測服役壽命為1935萬公里，滿足高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架1200萬公里的壽命要求。

5 結(jié)論

本文基于UIC 615-4對高速列車構(gòu)架靜態(tài)薄弱位置進(jìn)行識別；基于考慮構(gòu)架柔性的高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型對構(gòu)架動(dòng)態(tài)薄弱位置進(jìn)行識別；研究了不同曲線半徑下構(gòu)架薄弱位置特征動(dòng)應(yīng)力，并對構(gòu)架薄弱位置進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測，可以得到如下結(jié)論：

（1）基于高速列車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型和掃頻方法可更加全面地識別構(gòu)架薄弱位置。構(gòu)架主要的薄弱位置包括轉(zhuǎn)臂座拐角焊縫區(qū)域、橫梁與側(cè)梁焊縫區(qū)域、側(cè)梁外立板與上蓋板焊縫區(qū)域、橫向減振器座焊縫區(qū)域、側(cè)梁內(nèi)立板與上蓋板焊縫區(qū)域等部位，彌補(bǔ)了基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)架薄弱位置靜態(tài)識別方法的不足。

（2）在浮沉掃頻激勵(lì)下，構(gòu)架結(jié)構(gòu)彈性共振對構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力影響明顯，影響構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力的模態(tài)主要是構(gòu)架扭轉(zhuǎn)模態(tài)、構(gòu)架菱形變形模態(tài)、構(gòu)架側(cè)梁同向橫彎模態(tài)和構(gòu)架側(cè)梁異向垂彎模態(tài)，其中構(gòu)架菱形變形模態(tài)對構(gòu)架薄弱位置的影響較大。

（3）小半徑曲線（≤3500 m）對構(gòu)架薄弱位置動(dòng)應(yīng)力影響明顯，當(dāng)曲線半徑大于3500 m時(shí)，曲線半徑對構(gòu)架損傷的影響基本保持不變。高速列車在通過曲線工況時(shí)，易激發(fā)構(gòu)架浮沉模態(tài)、側(cè)滾模態(tài)和橫移模態(tài)等剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)。

（4）基于威布爾分布和Miner線性累積損傷理論的構(gòu)架疲勞壽命預(yù)測表明，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架最大損傷出現(xiàn)位置為轉(zhuǎn)臂座拐角焊縫區(qū)域，預(yù)測服役壽命為1935萬公里，構(gòu)架所有薄弱位置預(yù)測服役壽命均可滿足高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架1200萬公里的壽命要求。

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Study on Vibration Fatigue of High-Speed Train Bogie Frame Based on Rigid Flexible Coupling Dynamics

LI Chuanying1，LI Peng1，WU Xingwen2，DONG Xiaohua3

( 1.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China; 2.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, China; 3.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

The rigid flexible coupling dynamic model considering the high frequency flexibility of the bogie frame is constructed, and the dynamic stress of the bogie frame considering the track excitation is solved by combining the modal stress recovery method. According to this model, a method for identifying the dynamic weak position of the bogie frame based on the sweep frequency excitation of typical service mode is proposed, and the stress characteristics of dynamic stress at the weak position of the bogie frame under typical service conditions and damage under each characteristic condition are studied. Finally, on the basis of the distribution characteristics of the Beijing-Guangzhou line, the damage of the weak position of the bogie frame is studied. The results show that the structural dynamic weak position identified based on the sweep frequency excitation of typical service mode includes the static weak position identified by the traditional quasi-static method, and can identify the sensitive frequency band of the weak position. The curve radius has a significant impact on the damage of the key positions of the bogie, and the damage increases significantly with the decrease of the curve radius. Considering the curve and straight-line distribution characteristics of the Beijing-Guangzhou line, the calculated damage at the key positions of bogie frame meets the requirement of the expected total mileage of 12 million km.

rigid-flexible coupled dynamic model of high-speed train；modal stress recovery method；static weak position；dynamic weak position

U270

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.004

1006-0316 (2023) 01-0020-09

2022-04-21

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFE0201401）；國家自然科學(xué)基金（51805450）；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2020YJ0075）

李傳迎（1988－），男，山東聊城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)疲勞，Email：lichuanying@cqsf.com。*通訊作者：吳興文（1988－），男，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)疲勞，Email：xingwen_wu@163.com。