宿崇，楊永勤，馬紀軍，李明高，米小珍

(1.中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063000;2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧大連116028)*

0 引言

車下設(shè)備艙是高速動車組車體的主要組成部分，在改善動車組空氣動力學外形，保護車下懸掛設(shè)備方面起著關(guān)鍵作用，其結(jié)構(gòu)可靠性對動車組的安全運營至關(guān)重要.動車組高速運行時，在軌道不平順、車體側(cè)風以及車下懸掛設(shè)備振動等的激勵下，設(shè)備艙單元產(chǎn)生各階模態(tài)耦合振動［1-4］.此外，動車組高速運行時產(chǎn)生的強側(cè)風會直接作用于設(shè)備艙部件，氣壓值高達上千兆帕.振動沖擊和氣動載荷的雙重作用將對設(shè)備艙及相關(guān)聯(lián)接部件造成損害，為列車的安全運營帶來隱患［5-8］.因此有必要研究車下設(shè)備艙部件結(jié)構(gòu)的強度特性，進而從結(jié)構(gòu)上采取相關(guān)解決措施來提高設(shè)備艙部件的結(jié)構(gòu)強度、預防疲勞事故的發(fā)生.

本文以某型高速動車組車下設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)為研究對象，采用有限元法分析了兩種設(shè)計方案支架結(jié)構(gòu)的強度特性.在實際運營線路條件下測試了兩種設(shè)計方案支架結(jié)構(gòu)焊縫關(guān)鍵部位的動應力，并對兩種支架結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能進行了評估.

1 設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)與載荷工況分析

設(shè)備艙模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由裙板、裙板吊掛、底板和設(shè)備艙支架組成.其中設(shè)備艙支架為鋁合金焊接和螺栓聯(lián)接件，由L型折彎鋁板、L型箱梁、橫梁以及加強筋組成.

圖1 設(shè)備艙模塊結(jié)構(gòu)

設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計方案如圖2所示.方案一為原設(shè)計方案(圖2(a))，在動力特性試驗中發(fā)現(xiàn)上筋板與L型板聯(lián)接部位應力幅值偏大，因此提出了改進方案二，改進結(jié)構(gòu)(圖2(b)).

圖2 設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)

在運營過程中設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)主要受到振動沖擊和氣動載荷影響，其中振動沖擊直接作用在設(shè)備艙支架和與之相連的裙板、設(shè)備艙底板上，而氣動載荷則直接作用在裙板和底板上，通過聯(lián)接吊掛傳遞到支架上.試驗研究表明，氣動載荷對設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)的影響遠大于振動沖擊載荷，是支架結(jié)構(gòu)應力的主要載荷因素，因此在進行結(jié)構(gòu)強度仿真時只需確定氣動載荷工況.

動車組高速運行時，車體四圍產(chǎn)生復雜的強氣流場，實際線路測試表明，動車時速達300～350 km/h時，氣動壓力差高達3～4 kPa.依據(jù)《EN12663鐵道應用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》及參照車下設(shè)備艙表面壓力測試結(jié)果，確定了各載荷工況，如表1所示.

表1 氣動載荷工況

2 設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)靜力仿真

采用有限元分析及處理軟件ANSYS和HYPERMESH建立裙板支架結(jié)構(gòu)有限元模型.結(jié)構(gòu)模型主要采用殼單元Shell181建立，用梁單元模擬螺栓，并通過RBE3單元建立螺栓聯(lián)接關(guān)系，裙板鎖采用RIGID單元建立聯(lián)接關(guān)系，但允許繞鎖軸線的轉(zhuǎn)動自由度.

兩種設(shè)計方案支架結(jié)構(gòu)焊縫處應力最大值情況如表2所示.分析表明:焊縫處的結(jié)構(gòu)應力明顯大于非焊縫處，最大應力發(fā)生在上焊縫點或L角端焊縫點處;裙板氣動載荷對結(jié)構(gòu)焊點應力的影響均大于底板氣動載荷;方案二上筋板與L型板聯(lián)接部位上焊縫角端處的應力情況得到明顯改善，上筋板與L型板連接部位下焊縫角端、橫梁筋板與安裝座連接焊縫以及橫梁與安裝座連接焊縫等部位的應力與方案一基本相同.

表2 兩種方案支架結(jié)構(gòu)焊縫處應力最大值 MPa

3 設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)動力特性試驗

3.1 試驗方案

根據(jù)設(shè)備艙支架的結(jié)構(gòu)特征并結(jié)合上述仿真分析，確定在支架的上筋板與L型板聯(lián)接焊縫部位和橫梁筋板與安裝板聯(lián)接焊縫部位布置應變片.在方案一支架上布置測點A1和A2，在方案二支架上布置測點B1、B2、B3和B4，具體布片位置如圖3所示.

圖3 兩種方案支架結(jié)構(gòu)應力測點位置

測試試驗在某型動車組上進行，測試里程約為5 000 km，最高運行速度達到330 km/h.動應力測試采用120 Ω箔式應變片，應變片柵基長度為5 mm.試驗時將EDS-400A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固定到車下設(shè)備艙內(nèi)部進行動應力的數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為500 Hz.根據(jù)動車組結(jié)構(gòu)動應力的特點，該采樣頻率足以保證采樣數(shù)據(jù)的真實性.通過全程連續(xù)采集，能夠保證測試數(shù)據(jù)的完備性.

3.2 試驗結(jié)果分析

采用雨流計數(shù)法對采集到的動應力數(shù)據(jù)進行循環(huán)計數(shù)處理，編制了各測點的八級應力譜.通過雨流處理得到的疲勞應力譜為非對稱應力譜，而S-N關(guān)系曲線適用于對稱循環(huán)應力譜，因此需要對應力譜進行修正.本文采用Goodman修正公式將非對稱疲勞應力譜對稱化，修正公式為

式中，σ-1ai為修正應力幅;σai為初始應力幅;σavi為應力均值;σb為材料強度極限.

采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA針對變幅加載條件所推薦的S-N曲線形式計算各測點的等效應力幅，等效應力幅的計算公式為

式中，L1為實測應力譜的運行公里數(shù);σ-1ai為各級應力幅;ni為各級應力幅值的循環(huán)次數(shù);m為SN曲線參數(shù);N=107，L=1 200萬km.

各測點的等效應力幅計算結(jié)果如表3所示.可見方案二支架結(jié)構(gòu)上筋板與L型板聯(lián)接部位的等效應力幅明顯降低，橫梁筋板與安裝座聯(lián)接部位的等效應力也有所改善.由此說明方案二支架結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能優(yōu)于方案一.

表3 各測點等效應力幅

4 結(jié)論

本文采用有限元仿真和動應力測試試驗的方法，分析了某型高速動車組兩種設(shè)備艙支架結(jié)構(gòu)在氣動載荷作用下的結(jié)構(gòu)強度特征與抗疲勞性能.靜力仿真結(jié)果表明，裙板氣動載荷對支架結(jié)構(gòu)應力影響大于底板氣動載荷;方案二支架改進結(jié)構(gòu)在上筋板與L型板聯(lián)接部位上焊縫角端處的應力情況得到明顯改善.動力特性試驗表明，方案二支架結(jié)構(gòu)上筋板與L型板聯(lián)接部位的等效應力幅明顯降低，橫梁筋板與安裝座聯(lián)接部位的等效應力也有所改善.由此說明方案二支架結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能優(yōu)于方案一.

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