基于剛柔耦合仿真的地鐵車焊接構架疲勞分析*

王帥鈞,方 吉▲,馬 亮,王耀亭

(1.大連交通大學機車車輛工程學院,遼寧 大連 116028;2.包頭鐵道職業技術學院,內蒙古 包頭 014060)

0 引言

由于城軌車有著載客量大、運營班次頻繁的特點,所以其運行安全性一直備受關注。焊接構架作為城軌車最重要的承載部件之一,在城軌車運行過程中承受和傳遞車體和輪對之間各種復雜交變載荷作用,其線路運營條件下的疲勞問題日益突出。國內外諸多學者在焊接結構疲勞壽命評估方面取得了一定的成果,例如JW.Han等人[1]通過全尺寸臺架疲勞試驗對城市磁懸浮列車轉向架構架進行了疲勞壽命分析。KW.Jeon等人[2]基于JIS-E-4207標準,采用Goodman-Smith曲線對轉向架構架的疲勞強度進行了評估。Cera.A等人[3]結合了Apinis.R關于復合材料高頻應力疲勞測試的研究成果[4],對軌道車輛常見的焊接結構形式進行了研究。孫守光教授等人[5]以高速列車在京滬客運專線上的準靜態載荷-時間歷程數據所創建的載荷譜為基礎,對焊接構架疲勞壽命進行了理論計算。楊廣學教授等人[6]提出了一種基于隨機可測的等效應力幅值來對高速列車焊接構架進行疲勞壽命評估的新方法,該方法相比于其他方法更具有針對性。

本論文以某地鐵車動力學性能及轉向架構架疲勞壽命為研究對象,基于剛柔耦合動力學模型及實際運行線路統計數據,參照GB/T5599—2019等標準對該地鐵車動力學性能進行評價。為了較準確地考慮到焊縫局部應力集中及結構振動對疲勞壽命的影響,建立地鐵車整車剛柔耦合動力學模型,考慮到該城軌車復雜的線路運行條件,為了更好地模擬該車全壽命周期的運營工況,本文將結合城軌車實際運行線路統計數據,編制對應線路工況,進行動力學仿真分析,基于動力學仿真結果引入模態結構應力法對該車的焊接構架進行疲勞壽命評估與分析,并對結構進行改進方案分析與研究。

1 焊接構架柔性體模型的建立

根據該地鐵車的轉向架構架的幾何模型,采用殼單元對結構進行離散建立到有限元模型中,如圖1所示,其中焊縫局部細節如圖2所示。在軸箱彈簧座、空氣彈簧座、減振器安裝座、縱向牽引拉桿座等位置,設置柔性體的外部接口。采用改進后的Craig-Bampton模態綜合法進行求解,部分低階柔性體模態如表1所示。

表1 柔性體部分低階模態

圖1 城軌車轉向架圖2 轉向架構架焊縫細節有限元模型

構架模態分析的目的是為了得到構架在受影響的頻率范圍中所對應的模態特性,預測構架在特定頻率范圍內激振源的作用下導致的響應歷程或響應譜,它是結構故障診斷和動態設計必不可少的條件,防止構架發生共振和自激振蕩造成事故[7]。

從上述固有頻率表及固有振型圖中可以得到以下模態分析結果:

(1)該城軌車轉向架構架第7階振型頻率值為40.63 Hz,振型為構架整體扭曲變形,構架的最大變形發生在構架前后兩端橫梁與側梁接角位置,這表明該轉向架構架有一定的輪軌垂向不平順適應能力。

(2)該城軌車轉向架構架的第8階到第10階的自振頻率分別為72.54 Hz、72.93 Hz、84.41 Hz。振型主要為前后兩端橫梁的彎曲及剪切變形,最大變形位置也主要集中在前后兩端橫梁上,這表明該轉向架構架有一定的橫向彎曲剛度。

(3)該城軌車轉向架構架的第11階和第12階自振頻率較大,均為100 Hz以上,振型主要為橫梁及側梁的橫向、垂向彎曲,最大變形位置主要集中在構架中間的四根橫梁上。這表明該轉向架構架有一定的垂向、橫向剛度。

在剛柔耦合轉向架系統中,構架為柔性體,其他構件如輪對、軸箱、Z型牽引拉桿等都為剛體。柔性體的模態主要由約束模態和界面主模態經過二次坐標變換而來,該綜合模態既能有效地擬合結構的準靜態變形同時又能較好地擬合結構的振動形變[8]。本次柔性體的制作借助 ANSYS軟件與ADAMS之間的接口來完成。約束模態取40階,界面主模態96階(16個接口,每個接口6自由度,每個自由度對應一階界面主模態)。具體制作流程如圖3所示。

圖3 構架有限元模型柔性化流程圖

2 剛柔耦合模型的建立

在剛柔耦合模型中,柔性體與剛體通過動力學方程(1)來建立耦合聯系。

(1)

其中,廣義坐標ξ包括:模態坐標q、位移坐標x以及歐拉角坐標ω;廣義力通過Q表達;L是拉格朗日函數;λ為待定因子;ψ(ξ,t)為完整約束方程。

地鐵車整車動力學模型由車體和前、后兩個轉向架三個子系統組成,其中轉向架構架為柔性體,其余除彈性元件外均為剛體模型。該地鐵車動力學模型子系統結構圖如圖4所示。

圖4 城軌車子系統結構圖

轉向架是地鐵車最重要的部件之一,主要起緩沖與減振作用,轉向架剛柔耦合模型如圖5所示。

圖5 城軌車剛柔耦合轉向架動力學模型

在車體子系統以及前后轉向架子系統都建立完成之后,我們便可以在ADAMS/Rail的標準模塊中對城軌車整車動力學仿真系統進行裝配。本次計算以某地鐵車頭車基本參數進行建模,車體簡化為剛體,車體與轉向架構架之間通過空氣彈簧、牽引拉桿、抗側滾扭桿等子結構進行連接。裝配完成后的城軌剛柔耦合動力學模型如圖6所示。

圖6 地鐵車剛柔耦合整車動力學模型

3 線路運行工況的模擬

本次計算以軌道不平順為激振源,直線、曲線線路均施加美國五級軌道不平順譜進行仿真。由于該車設計最高時速為120 km/h,而實際運營速度以100～60 km/h為主,所以分別設置120 km/h、100 km/h、80 km/h、60 km/h四種速度工況進行仿真分析。首先對車體的振動加速度進行分析并對舒適性進行評價(圖7-圖11),然后分析了運行速度對脫軌系數及減載率的影響(圖12、圖13)。結果顯示:隨著列車速度的提高,舒適性降低,且均小于2.5,屬于優級別,隨著城軌車速度的提升,脫軌系數也隨之增大,且均滿足標準要求。

圖7 車體垂向振動加速度時間歷程(120 km/h)

圖8 車體垂向振動加速度幅頻圖(120 km/h)

圖9 車體橫向振動加速度時間歷程(120 km/h)

圖10 車體橫向振動加速度幅頻圖(120 km/h)

圖11 舒適性評價圖12 脫軌系數趨勢圖

圖13 輪重減載率趨勢圖

4 關鍵焊縫疲勞分析

4.1 模態結構應力法

模態結構應力法是在網格不敏感結構應力法與模態綜合法的基礎上提出的[8],可以適用于基于剛柔耦合時域動力學仿真結果的焊縫振動疲勞評估,其主要實施流程如圖14所示。

圖14 基于模態結構應力法的疲勞壽命預測流程

4.2 關鍵焊縫的定義

由于該焊接結構的焊縫比較多,且均成對稱分布,為了減少數據量,從中選取了8條具有代表性的關鍵焊線(圖15)進行疲勞評估。

圖15 關鍵焊縫定義

4.3 焊縫疲勞評估

基于動力學仿真獲得的柔性體模態坐標時間歷程,采用模態結構應力法求解來獲得焊縫上焊趾處等效結構應力,如圖16所示,圖17則為等效結構應力雨流計數結果。

圖16 等效結構應力時間歷程(曲線R280)

圖17 等效結構應力雨流計數(曲線R280)

將各個工況計算獲得的損傷按線路占比進行損傷累加,通過折算獲得總壽命里程(表2)。

表2 構架關鍵焊縫疲勞評估結果

根據表2可以看出,各焊縫的疲勞壽命均滿足1200萬公里的要求,但是由于焊接結構抗疲勞特性的離散型,一般需要留有一定安全余量,一般要求累計損傷小于0.5,而焊縫8的抗疲勞能力未達到要求。因此需要針對該焊縫的局部結構進行優化,從而提高焊縫疲勞壽命。

5 結構改進分析

由于該地鐵車的線路以曲線為主,列車通過曲線時速度較快,而空氣彈簧的橫向剛度比較小,因此車體產生的橫向位移較大,橫向止檔座承受一定載荷作用,導致其焊縫壽命降低。提高焊縫抗疲勞性能主要有以下幾個途徑:1)焊縫位置避開應力集中;2)緩解焊縫局部應力集中; 3)降低焊縫結構承受的載荷。將安裝座改成其他連接方式,結構改動太大,成本會提高;延長止檔座筋板的長度可以達到緩解應力集中的效果,基于此提出了改進方案(圖18)。

圖18 焊縫8局部改進方案

按照上述改進方案,基于相同的方法進行仿真計算并給出疲勞損傷評估對比曲線,如圖19所示,可以看出構架橫向止檔座處關鍵焊縫的改進方案能有效提高焊縫抗疲勞能力。

圖19 焊縫8改進前后損傷對比

6 結論

本文以某地鐵車轉向架構架的疲勞壽命為研究對象,首先建立剛柔耦合動力學模型對地鐵車的動力學性能進行評估;然后,采用模態結構應力法對構架進行了疲勞壽命分析;最后,根據疲勞分析結果,對構架關鍵焊縫進行結構改進。通過本次研究,得出如下結論:

(1)動力學仿真分析結構顯示:該車動力學性能各項指標均滿足GB/T5599—2019要求。

(2)由于該地鐵車的運營線路以曲線為主,且通過曲線時速度較快,而空氣彈簧的橫向剛度比較小,因此車體產生的橫向位移較大,橫向止檔座承受一定載荷作用,導致其焊縫壽命降低。

(3)構架橫向止檔座處關鍵焊縫的改進方案能使得焊縫局部剛度更協調,從而減小焊縫局部應力集中,有效提高焊縫抗疲勞能力,且結構改變小、實施方便,說明焊接結構設計過程中,保障焊縫局部的剛度協調非常重要。