靳世英，樸思揚(yáng)，聶春戈，王 輝，樸明偉，李向偉

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 機(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；3.中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限責(zé)任公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116045)

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，振動(dòng)疲勞已經(jīng)成為輕量化車(chē)體設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸之一。為了克服或避免目前既有方法的局限性及其對(duì)工程問(wèn)題解決可能造成的誤導(dǎo)誤判，有必要結(jié)合具體案例來(lái)積極推介剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞損傷分析評(píng)估的新方法，進(jìn)而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面上消除并解除耦合共振及其發(fā)生條件，使關(guān)鍵部件滿足可靠載荷譜制備的技術(shù)條件。

應(yīng)用研究必須恪守其科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕驹瓌t。根據(jù)搖枕懸掛的重載卡滯現(xiàn)象及其影響[1]，文獻(xiàn)[2]利用剛?cè)狁詈戏抡婕皡f(xié)同分析的軟件，給出了與工程實(shí)際情況相吻合的振動(dòng)疲勞影響分析結(jié)果。目前來(lái)看，這一研究成果突破了既有方法的局限性[3-5]。盡管如此，當(dāng)前軌道車(chē)輛運(yùn)維實(shí)踐相關(guān)問(wèn)題的解決[6-9]仍然不可忽視既有方法的局限性及其應(yīng)用前提。

作為剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)的一項(xiàng)重要延伸部分，振動(dòng)疲勞損傷分析評(píng)估應(yīng)該盡早明確如下3大技術(shù)關(guān)系：載荷激勵(lì)與位移/加速度響應(yīng)之間的剛?cè)狁詈详P(guān)系；模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)(Modal Stress Recovery，MSR)時(shí)域樣本的功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)與應(yīng)力循環(huán)載荷幅頻統(tǒng)計(jì)的概率密度函數(shù)(Possibility Density Function，PDF)之間的頻譜轉(zhuǎn)換關(guān)系；基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力主S-N曲線的疲勞損傷與壽命關(guān)系[10-11]。

因此，相關(guān)約束內(nèi)力不可直接作為軌道車(chē)輛關(guān)鍵部件的載荷譜，進(jìn)而按照準(zhǔn)靜態(tài)加載方式或模態(tài)疊加法進(jìn)行加載。與一般道路車(chē)輛或建筑鋼結(jié)構(gòu)的情況不同，鐵路車(chē)輛系統(tǒng)均存在一種十分特殊的剛?cè)狁詈详P(guān)系[12-14]。如車(chē)體搖晃，整備車(chē)體運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與輕量化車(chē)體變形勢(shì)能之間存在某種程度的轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)變關(guān)系。如同打乒乓球一樣，相關(guān)約束內(nèi)力的絕大部分用于驅(qū)使整備車(chē)體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，而僅有剩余的部分才會(huì)迫使輕量化車(chē)體形成包括準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種成份的變形勢(shì)能。

為了實(shí)現(xiàn)與董氏結(jié)構(gòu)應(yīng)力恢復(fù)及焊縫疲勞損傷評(píng)估方法之間的無(wú)縫對(duì)接操作，柔性體對(duì)多體系統(tǒng)(Multi-Body System，MBS)的接口處理對(duì)策應(yīng)該憑借基于子結(jié)構(gòu)交界面載荷類型處理的有限元模型修正或更新技術(shù)加以進(jìn)一步改進(jìn)。取代準(zhǔn)靜態(tài)加載法或模態(tài)疊加法[15-16]，軌道車(chē)輛剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)應(yīng)用柔性車(chē)體接口處理的改進(jìn)對(duì)策就能夠構(gòu)建合理的剛?cè)狁詈详P(guān)系。結(jié)合目前高鐵車(chē)輛發(fā)生的抖車(chē)現(xiàn)象，文獻(xiàn)[17]已經(jīng)論證并解除了轉(zhuǎn)向架振動(dòng)報(bào)警與抖車(chē)現(xiàn)象之間的因果關(guān)系，使自適應(yīng)高速轉(zhuǎn)向架改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠在合理的輪軌匹配條件下科學(xué)提升極限與構(gòu)造速度。

結(jié)合相關(guān)科研工作，本研究首先簡(jiǎn)要討論軌道車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其行為特殊性，然后針對(duì)基于動(dòng)態(tài)質(zhì)量陣的剛?cè)狁詈详P(guān)系，提出一種剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞損傷分析評(píng)估的新方法，最后給出某運(yùn)煤敞車(chē)空車(chē)回送所發(fā)生的振動(dòng)疲勞典型案例。

1 軌道車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其行為特殊性

振動(dòng)疲勞具有雙重力學(xué)屬性，即相關(guān)約束內(nèi)力的非線性變化及其對(duì)柔性體的線彈振動(dòng)行為影響。結(jié)合軌道車(chē)輛的特殊性，本研究主張?jiān)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)層面上消除或解除耦合共振及其發(fā)生條件。

從分析力學(xué)的研究觀點(diǎn)出發(fā)，軌道車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)屬于非光滑一類非線性問(wèn)題[12]。對(duì)于這類非線性問(wèn)題及其可能存在的復(fù)雜約束奇異性，文獻(xiàn)[13-14]提出了一種改進(jìn)的廣義增廣法，以獨(dú)立的廣義變量和虛擬的增廣變量之間的巧妙組合來(lái)迅速捕捉最小阻力的攝動(dòng)方向，進(jìn)而形成了預(yù)見(jiàn)—校正—評(píng)估3階段可變步長(zhǎng)積分算法。以Newmark二階差分取代Newton一階差分技術(shù)，縮小了Jacobian矩陣規(guī)模并降低了其病態(tài)發(fā)生概率，大型復(fù)雜剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)得以在較好的硬軟件條件下開(kāi)展仿真工作。

盡管如此，上述可變步長(zhǎng)積分算法仍然存在繁雜與效率低等缺陷。為此，鐵路車(chē)輛運(yùn)維實(shí)踐應(yīng)該積極推介動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，包括整車(chē)穩(wěn)定性態(tài)分析圖、柔性體對(duì)MBS的接口處理技術(shù)對(duì)策以及復(fù)雜約束內(nèi)力精準(zhǔn)分析3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)手段，以便更好地兼顧如下3個(gè)主要的行為特殊性：復(fù)雜約束因奇異性變化而造成的影響；整備車(chē)體對(duì)不確定軌道激勵(lì)輸入而產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)；基于動(dòng)態(tài)剛度質(zhì)量陣的剛?cè)狁詈详P(guān)系。

整備車(chē)體以輕量化車(chē)體作為子結(jié)構(gòu)，可以證明，其存在基于動(dòng)態(tài)質(zhì)量陣的剛?cè)狁詈详P(guān)系，且在某一特定的路段上具有發(fā)生耦合共振的可能性。考慮到既有頻域法的應(yīng)用前提，如Dirlik方法或雙模態(tài)法[5]，無(wú)法同時(shí)兼顧寬帶與窄帶響應(yīng)特征。為此，本研究要探索一種新方法。

2 基于動(dòng)態(tài)質(zhì)量陣的剛?cè)狁詈详P(guān)系

對(duì)于N個(gè)DoF的線彈系統(tǒng)，P為視解決問(wèn)題需要所截取的固有模態(tài)數(shù)，Q為約束模態(tài)數(shù)，其與交界面所定義的約束DoF一一對(duì)應(yīng)，分別用下標(biāo)i和o表示，且N=Q+P。根據(jù)子結(jié)構(gòu)交界面位移動(dòng)凝聚處理技術(shù)[18-20]，第k階模態(tài)振動(dòng)的位移響應(yīng)幅值Πk為

k=1，2，…，P+Q

(1 )

式中：ζk、ωk分別為第k階模態(tài)的阻尼比、固有頻率；ω為交界面的激勵(lì)頻率；在多軸激勵(lì)下，Hk、Lk、Xk分別為第k階模態(tài)的頻響函數(shù)、參與因子向量、等效激勵(lì)向量。由剛?cè)狁詈戏抡婵梢垣@得第k階模態(tài)坐標(biāo)的時(shí)域響應(yīng)ηk=Πkejωt。

由此，在有限元軟件環(huán)境中可以開(kāi)展基于節(jié)點(diǎn)力與位移的模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)MSR，如關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的von Mises應(yīng)力或沿焊線節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力等。

在交界面的載荷激勵(lì)與位移和加速度響應(yīng)之間亦可構(gòu)建合理的剛?cè)狁詈详P(guān)系，即

(2 )

上述交界面的載荷激勵(lì)為fo=Foejωt，相應(yīng)約束模態(tài)Q的等效激勵(lì)為L(zhǎng)oXo=Fo。所截取固有模態(tài)P的等效激勵(lì)為L(zhǎng)iXi，其中，Li為多軸激勵(lì)下第i階固有模態(tài)參與因子向量。因此，以約束模態(tài)作為增廣變量來(lái)構(gòu)成式(1 )所示的所有模態(tài)頻響函數(shù)。

在特定的響應(yīng)面方向上，動(dòng)態(tài)質(zhì)量md是基于第k階模態(tài)頻響函數(shù)Hk的有效質(zhì)量加權(quán)線性組合，即

(3 )

3 剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞損傷分析評(píng)估新方法

根據(jù)基于動(dòng)態(tài)質(zhì)量矩陣的剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞分析評(píng)估流程見(jiàn)圖1。本研究提出一種剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞損傷分析評(píng)估的新方法，其具有如下3個(gè)技術(shù)要素，即柔性體接口處理改進(jìn)對(duì)策，包括運(yùn)動(dòng)與彈性模態(tài)兩個(gè)子集的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模態(tài)分析以及基于動(dòng)態(tài)質(zhì)量矩陣的剛?cè)狁詈详P(guān)系。

為了開(kāi)拓輕量化結(jié)構(gòu)穩(wěn)健設(shè)計(jì)[21]的新研究領(lǐng)域，本研究制訂了如下研究方案：①利用子結(jié)構(gòu)交界面的諸多要素重組或重構(gòu)，如主從節(jié)點(diǎn)關(guān)系(RBE2/3單元)、約束DoFs數(shù)以及相關(guān)約束剛度與阻尼等，有限元模型得以修正或更新；②憑借柔性體接口處理改進(jìn)對(duì)策的靈活性，使子結(jié)構(gòu)交界面的耦合程度逼近實(shí)際情況；③應(yīng)用預(yù)見(jiàn)—校正—評(píng)估3階段可變步長(zhǎng)積分算法，確保復(fù)雜約束內(nèi)力的精準(zhǔn)分析結(jié)果，將疲勞損傷納入輕量化車(chē)體優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件當(dāng)中；④應(yīng)用時(shí)域樣本統(tǒng)計(jì)特征及其頻響特征的互補(bǔ)分析工具，制訂并驗(yàn)證立足于耦合共振形成機(jī)制分析的減振對(duì)策及其技術(shù)效果；⑤進(jìn)而使工程問(wèn)題盡可能滿足平穩(wěn)性與歷遍性兩項(xiàng)基本條件，更好地發(fā)揮諸如Dirlik等頻譜轉(zhuǎn)換方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如關(guān)鍵部件耐久性臺(tái)架加速試驗(yàn)以及可靠載荷譜編制等。

結(jié)合快捷與重載鐵路運(yùn)輸需求，積極推介上述新方法，為輕量化車(chē)體設(shè)計(jì)合理挖掘技術(shù)空間。

4 典型案例

4.1 某運(yùn)煤敞車(chē)空車(chē)回送振動(dòng)疲勞問(wèn)題

以某運(yùn)煤敞車(chē)的鉤緩沖擊座附近開(kāi)裂及其修復(fù)方案為一個(gè)典型案例，有必要利用剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞損傷分析評(píng)估新方法，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度來(lái)明確疲勞損傷性質(zhì)進(jìn)而研判現(xiàn)有修復(fù)方案的可行性。

3種類型貨車(chē)空車(chē)時(shí)車(chē)體扭曲模態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖2。某運(yùn)煤敞車(chē)空車(chē)扭曲模態(tài)與鉤緩沖擊座附近開(kāi)裂相關(guān)性見(jiàn)圖3。由圖2、圖3可知，空車(chē)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模態(tài)分析表明：某運(yùn)煤敞車(chē)扭曲模態(tài)頻率僅有6.10 Hz，阻尼比10.96%；而礦石車(chē)的扭曲模態(tài)頻率11.33 Hz，阻尼比10.41%；不銹鋼漏斗車(chē)、鋁合金漏斗車(chē)的模態(tài)頻率分別為10.54、8.91 Hz，阻尼比分別為6.84%、6.97%。相應(yīng)地，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)某運(yùn)煤敞車(chē)的鉤緩沖擊座附近開(kāi)裂并施行了下邊去除修復(fù)方案。結(jié)合某運(yùn)煤敞車(chē)的運(yùn)維特點(diǎn)，鉤緩沖擊座附近開(kāi)裂原因有如下兩種不同的分析觀點(diǎn)：因翻車(chē)機(jī)卸煤作業(yè)所造成的低周疲勞損傷；或因車(chē)體扭曲模態(tài)頻率低所形成的振動(dòng)疲勞損傷。

4.2 剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞損傷分析評(píng)估

4.2.1 仿真條件及工況

根據(jù)美國(guó)AAR M1001—2007[22]規(guī)定，以運(yùn)煤敞車(chē)空車(chē)作為研究對(duì)象，鋼軌定尺25 m直線扭曲峰值(最大沉降幅值)2A=10、15、20 mm、AAR5級(jí)譜以及兩者疊加譜三類軌道不平順激勵(lì)輸入方案見(jiàn)圖4。車(chē)速為80～130 km/h時(shí)，剛?cè)狁詈戏抡婀r見(jiàn)表1。左右軌直線扭曲交錯(cuò)擾動(dòng)，相位差180°，以便迫使車(chē)體搖晃，頻率1～2 Hz，搖枕傾覆相位滯后使前位最大旁承力遠(yuǎn)大于后位的。

表1 軌道不平順激擾仿真工況

圖4 直線扭曲與美國(guó)AAR5級(jí)譜及其疊加譜

4.2.2 鉤緩沖擊座附近危險(xiǎn)焊縫研判及其疲勞損傷評(píng)估

在直線扭曲峰值20 mm與美國(guó)AAR5級(jí)譜兩者疊加激勵(lì)下,某運(yùn)煤敞車(chē)空車(chē)運(yùn)行車(chē)速120 km/h,局部高應(yīng)力變化發(fā)生在鉤緩沖擊座附近,見(jiàn)圖5(a)。定義危險(xiǎn)焊縫,其中,34527號(hào)節(jié)點(diǎn)位于端墻下部折彎處,見(jiàn)圖5(b)。圖5(c)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)34527動(dòng)應(yīng)力時(shí)域樣本,圖5(d)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)34527動(dòng)應(yīng)力15～30 s的頻響特征,該節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力呈現(xiàn)脈沖載荷類型,其頻響特征分析表明:車(chē)體搖晃迫使敞車(chē)扭曲模態(tài)產(chǎn)生共振。

根據(jù)基于模態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力主S-N曲線的焊縫疲勞壽命評(píng)估方法及技術(shù)規(guī)范[11-12],剛?cè)狁詈戏抡娣治鲈u(píng)估結(jié)果見(jiàn)圖6,表明上述危險(xiǎn)焊縫的最短壽命僅為30余萬(wàn)km,且具有如下影響規(guī)律:

圖6 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的鉤緩沖擊座附近危險(xiǎn)焊縫疲勞壽命評(píng)估

1)在車(chē)速80～130 km/h運(yùn)行下,根據(jù)圖6(a)與圖6(b),直線扭曲峰值20 mm所得到的疲勞壽命要較美國(guó)AAR5級(jí)譜的降低兩個(gè)數(shù)量級(jí),即10-2,因?yàn)楹笳邿o(wú)明顯的車(chē)體搖晃現(xiàn)象。

2)根據(jù)圖6(b)和圖6(c),運(yùn)行車(chē)速與直線扭曲峰值兩者均成為影響疲勞壽命的次要因素,在直線扭曲段通過(guò)時(shí)最大旁承力迫使空車(chē)扭曲模態(tài)發(fā)生共振,約5.32 Hz,見(jiàn)圖5(d)。

3)根據(jù)圖6(c)和圖6(d),前位的危險(xiǎn)焊線呈現(xiàn)對(duì)稱的疲勞壽命分布規(guī)律,而后位的則失去了對(duì)稱性,其主要原因在于車(chē)體搖晃慣性作用,前位最大旁承力遠(yuǎn)大于后位的。

4.2.3 相關(guān)影響因素分析

在美國(guó)AAR5級(jí)譜、直線扭曲峰值20 mm以及兩者疊加譜三種軌道不平順激擾輸入下,車(chē)體搖晃及其對(duì)側(cè)墻橫向彎曲振動(dòng)的影響見(jiàn)圖7,前者(AAR5級(jí)譜)僅使側(cè)墻橫向振動(dòng),而后兩者則均迫使車(chē)體搖晃并產(chǎn)生具有幾乎相同的側(cè)墻橫向振動(dòng)特征,強(qiáng)度略有差異。側(cè)墻橫向振動(dòng)具有兩個(gè)主要成份,即側(cè)墻中央同向/反向橫彎模態(tài)的自激振動(dòng)。由此可見(jiàn),直線扭曲峰值20 mm不僅會(huì)迫使車(chē)體搖晃,包括車(chē)體上擺1.3 Hz及其伴隨振動(dòng)2.6 Hz,后者伴隨振動(dòng)與圖5(d)的頻響特征一一對(duì)應(yīng),而且最大旁承力的載荷激勵(lì)還會(huì)使輕量化車(chē)體的扭曲模態(tài)產(chǎn)生耦合共振。

圖7 車(chē)體搖晃及其對(duì)側(cè)墻橫向彎曲振動(dòng)影響

車(chē)體搖晃迫使最大旁承力增大,相位滯后對(duì)前位與后位旁承力差所造成的非線性影響見(jiàn)圖8,搖枕傾覆勢(shì)能會(huì)因相位滯后的非線性影響而使前位最大旁承力遠(yuǎn)大于后位的,進(jìn)而迫使車(chē)體扭曲模態(tài)共振,見(jiàn)圖5(d),約5.32 Hz,其彈性振動(dòng)能量已經(jīng)遠(yuǎn)大于伴隨運(yùn)動(dòng)模態(tài)的。同時(shí)考慮到前位心盤(pán)橫向力遠(yuǎn)小于后位的(文中未示),后位鉤緩沖擊座附近的危險(xiǎn)焊線疲勞壽命分布失去了對(duì)稱性,主要表現(xiàn)為一側(cè)下邊的局部高應(yīng)力發(fā)生了變化。

圖8 相位滯后對(duì)前位與后位旁承力差所造成的非線性影響

最后,根據(jù)鉤緩沖擊座上方,端墻與地板的中部角焊縫疲勞壽命評(píng)估分析結(jié)果表明:假若采取上述下邊去除修復(fù)方案,最短壽命僅可延長(zhǎng)至54.4 km,其并未立足于耦合共振形成機(jī)制分析。

本研究所得到的分析結(jié)果與圖3(b)的現(xiàn)場(chǎng)情況相吻合。未修復(fù)前,鉤緩沖擊座附近危險(xiǎn)焊縫的最短疲勞壽命僅有30余萬(wàn)km。由于振動(dòng)疲勞影響并未徹底消除,如圖3(c)所示的修復(fù)方案最短疲勞壽命僅可延長(zhǎng)至50余萬(wàn)km。

綜上所述,就某運(yùn)煤敞車(chē)來(lái)講,鉤緩箱附近開(kāi)裂原因的兩種不同分析觀點(diǎn)均有可能,只不過(guò)考慮到其運(yùn)維特點(diǎn),如服役條件有可能造成的腐蝕疲勞、直線扭曲激擾輸入、車(chē)體扭曲模態(tài)頻率過(guò)低以及下邊5 mm 薄板折彎等影響因素,本研究認(rèn)為:振動(dòng)疲勞損傷導(dǎo)致開(kāi)裂的可能性更大一些。

4.3 耦合共振形成機(jī)制分析

考慮到剛?cè)狁詈夏Ｐ图捌浞抡鏃l件,動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果存在與實(shí)際情況的偏差,其不可能全面反映現(xiàn)場(chǎng)疲勞開(kāi)裂及其綜合因素影響。但是上述剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞分析評(píng)估工作是要立足于耦合共振形成機(jī)制分析,以便今后科學(xué)制訂并驗(yàn)證減振對(duì)策及其有效性。

通過(guò)上述典型算例,本研究所提出的新方法可以給出耦合共振形成機(jī)制的如下重要分析結(jié)論:在直線扭曲或軌道長(zhǎng)波水平不平順激勵(lì)輸入下,平面心盤(pán)失載已經(jīng)成為空車(chē)回送的一種常態(tài)。因而以最大旁承力作為相關(guān)激勵(lì),走行部與整備車(chē)體之間構(gòu)成了特殊的耦合關(guān)系。

考慮到輕量化車(chē)體設(shè)計(jì)可能存在的缺陷,如某運(yùn)煤敞車(chē)的空車(chē)扭曲模態(tài)頻率過(guò)低以及鉤緩裝置質(zhì)量約500～600 kg,鉤緩沖擊座附近焊縫開(kāi)裂應(yīng)該屬于振動(dòng)疲勞損傷的力學(xué)性質(zhì)。這一分析結(jié)論具有如下兩項(xiàng)有力論據(jù):

1)鉤緩沖擊座附近的局部高應(yīng)力及相關(guān)影響因素分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況基本吻合,沒(méi)有必要再進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證?？紤]到下邊薄板的不足50 mm折彎邊寬度,現(xiàn)場(chǎng)貼片測(cè)試試驗(yàn)的可行性不大,試驗(yàn)分析結(jié)果的可信性也值得商榷。

2)只有以最大旁承力作為相關(guān)激勵(lì),整備車(chē)體扭曲模態(tài)共振才會(huì)暴露鉤緩沖擊座附近的局部薄弱缺陷,進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)疲勞問(wèn)題。因翻車(chē)機(jī)卸煤作業(yè)所造成的低周疲勞損傷是客觀存在的,但是并非主要影響因素,其理由有二:①卸煤作業(yè)的載荷激勵(lì)作用于側(cè)墻中部;②側(cè)墻與端墻上部轉(zhuǎn)角才是可能形成局部薄弱缺陷的地方。這是結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理所決定的行為規(guī)律,不需模型仿真驗(yàn)證。

考慮到局部剪應(yīng)力的顯著影響,側(cè)墻與端墻上部轉(zhuǎn)角開(kāi)裂才是上述低周疲勞損傷的主要失效形式之一。考慮到前位最大旁承力遠(yuǎn)大于后位的[見(jiàn)圖8(b)和圖8(c)],振動(dòng)疲勞失效則發(fā)生在鉤緩沖擊座附近并非側(cè)墻與端墻上部轉(zhuǎn)角處。因此,這一焊縫開(kāi)裂的振動(dòng)疲勞力學(xué)性質(zhì)是毋庸置疑的。

局部薄弱及其剪應(yīng)力的顯著影響是低周疲勞損傷形成的主要特征之一。比如北美出口鐵路貨車(chē),軌道長(zhǎng)波水平不平順激擾輸入時(shí)常會(huì)迫使最大旁承力產(chǎn)生極端情況,可達(dá)整備車(chē)體質(zhì)量的75 %以上。考慮到地板底架整體剛度較大,重載運(yùn)煤敞車(chē)扭曲變形較小,直線扭曲波長(zhǎng)33.3 m(峰值55 mm),最大旁承力可達(dá)約640 kN。在如此嚴(yán)峻的多軸激勵(lì)下,上旁承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮其剪應(yīng)力的顯著影響,如根部焊縫的轉(zhuǎn)角處。相反,如兩箱集裝箱縱承梁平車(chē),則會(huì)因端部橫梁與邊梁彈性變形而使局部高應(yīng)力部位發(fā)生轉(zhuǎn)移,即在后從板座與縱承梁之間的結(jié)合部,約545 MPa。盡管如此,板厚25 mm顯著降低了剪應(yīng)力影響。因此,有效降低剪應(yīng)力影響應(yīng)該作為局部補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的基本原則。

5 結(jié)論

就軌道車(chē)輛而言,剛?cè)狁詈详P(guān)系會(huì)因復(fù)雜約束奇異性而變得難以確定,進(jìn)而使得既有的振動(dòng)疲勞評(píng)估方法喪失了其應(yīng)用前提。為此,本研究在動(dòng)態(tài)仿真及協(xié)同分析的軟件支撐下,制訂了一種剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞損傷分析評(píng)估的新方法,以復(fù)雜約束內(nèi)力的精準(zhǔn)分析結(jié)果來(lái)保障模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)MSR的正確性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了與董氏結(jié)構(gòu)應(yīng)力恢復(fù)及焊縫疲勞損傷評(píng)估方法之間的無(wú)縫對(duì)接操作,更好地展示了其網(wǎng)格不敏感和應(yīng)力集中效應(yīng)兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

本研究工作主要結(jié)論如下:

1)根據(jù)振動(dòng)疲勞的雙重力學(xué)屬性,軌道車(chē)輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能消除并解除耦合共振及其發(fā)生條件,使振動(dòng)疲勞評(píng)估立足于耦合共振形成機(jī)制分析,為編制可靠載荷譜做好必要的技術(shù)準(zhǔn)備。

2)作為剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)應(yīng)用的一項(xiàng)重要延伸部分,本研究應(yīng)用上述新方法,分析了某運(yùn)煤敞車(chē)的鉤緩沖擊座附近開(kāi)裂原因及下邊去除修復(fù)方案的可行性?？哲?chē)剛?cè)狁詈戏抡娣治霰砻?整備車(chē)體扭曲模態(tài)頻率過(guò)低,約6.10 Hz,是造成疲勞損傷的根本原因。在特定的軌道激勵(lì)輸入下,車(chē)體搖晃迫使最大旁承力增大,且前位大于后位的。結(jié)果鉤緩沖擊座附近高應(yīng)力變化與車(chē)體扭曲模態(tài)振動(dòng)之間形成了明顯的相關(guān)性影響關(guān)系,使危險(xiǎn)焊縫的最短壽命降低至30余萬(wàn)km。多種仿真工況對(duì)比分析還可以證實(shí):運(yùn)行車(chē)速與直線扭曲峰值僅僅是造成疲勞損傷的兩個(gè)次要因素。相應(yīng)的下邊去除修復(fù)方案也僅使最短疲勞壽命延長(zhǎng)至50余萬(wàn)km。因此,鉤緩沖擊座附近開(kāi)裂可以定性為振動(dòng)疲勞問(wèn)題,并非翻車(chē)機(jī)卸煤所造成的低周疲勞損傷。

3)為了最大程度地避免諸如準(zhǔn)靜態(tài)加載法和模態(tài)疊加法的人為隨意性,剛?cè)狁詈险駝?dòng)疲勞分析評(píng)估新方法以模態(tài)等效激勵(lì)來(lái)進(jìn)行基于主節(jié)點(diǎn)力與位移的模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)MSR,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了與董氏結(jié)構(gòu)應(yīng)力恢復(fù)及焊縫疲勞損傷評(píng)估方法之間的無(wú)縫對(duì)接操作。由于在多軸激勵(lì)下構(gòu)建了基于動(dòng)態(tài)質(zhì)量陣的剛?cè)狁詈详P(guān)系,柔性車(chē)體線性時(shí)不變系統(tǒng)的響應(yīng)特性能夠更加真實(shí)地反映輪軌接觸與轉(zhuǎn)向架懸掛兩大非線性影響。

結(jié)合快捷與重載鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展需求,低周疲勞損傷將作為未來(lái)輕量化車(chē)體的研究重點(diǎn)之一?？紤]到局部剪應(yīng)力的顯著影響,如新型運(yùn)煤漏斗車(chē)的輕量化車(chē)體將會(huì)更加注重細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),進(jìn)一步提升對(duì)軌道線路服役條件的適應(yīng)性。