□ 徐 杰 □ 陽(yáng)光武 □ 肖守訥

西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031

鐵道車輛輔助安裝座隨機(jī)振動(dòng)疲勞評(píng)估

□ 徐 杰 □ 陽(yáng)光武 □ 肖守訥

西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031

構(gòu)架端部傳遞的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)是引發(fā)輔助安裝座破壞的主要原因。為考察輔助安裝座在隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下的可靠性，結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和材料的疲勞理論，研究制定了隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析方法，在此基礎(chǔ)上依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61373，采用有限元分析軟件對(duì)輔助安裝座進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真，最后利用Dirlik法和Miner準(zhǔn)則對(duì)其危險(xiǎn)部位進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估。經(jīng)分析表明，輔助安裝座的總體損傷為0.75，滿足Miner線性累積損傷準(zhǔn)則，表明安裝座的疲勞設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

隨機(jī)振動(dòng) 振動(dòng)疲勞 功率譜 疲勞損傷

鐵道車輛輔助安裝座安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的端部，由端板、立板和側(cè)板組成，排障器和撒沙裝置以及其它組件通過(guò)螺栓固定在輔助安裝座上。根據(jù)輔助安裝座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝位置，確定懸臂承受來(lái)自轉(zhuǎn)向架端部的振動(dòng)激勵(lì)。構(gòu)架端部傳遞的激勵(lì)主要來(lái)源于軌道線路的不平順、車輪缺陷、輪軌沖擊等外界因素，這些外部因素很容易導(dǎo)致輔助安裝座疲勞破壞。所以，保證輔助安裝座的安全服役顯得至關(guān)重要，關(guān)系著列車的行車安全。目前對(duì)鐵道車輛附屬結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)疲勞可靠性研究主要技術(shù)手段有兩種：一是通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)，二是依據(jù)我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)或者相關(guān)軟件進(jìn)行有限元虛擬仿真。試驗(yàn)成本相較有限元仿真而言要大很多，筆者依據(jù)IEC61373［1］《機(jī)車車輛設(shè)備-沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》，采用有限元法對(duì)輔助安裝座在隨機(jī)振動(dòng)下的疲勞損傷進(jìn)行評(píng)估。

1 隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析理論

應(yīng)力變程是結(jié)構(gòu)疲勞破環(huán)的真實(shí)原因，提取應(yīng)力變程通常在時(shí)域進(jìn)行，即通過(guò)直接測(cè)量或通過(guò)計(jì)算分析獲得應(yīng)力時(shí)間歷程，再通過(guò)雨流計(jì)數(shù)提取應(yīng)力變程［3］。計(jì)算分析方法有瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（數(shù)據(jù)量少的情況）和準(zhǔn)靜態(tài)迭加法（數(shù)據(jù)量多的情況），而要獲取準(zhǔn)確的疲勞壽命需要較多的數(shù)據(jù)，因此常采用準(zhǔn)靜態(tài)迭加法。然而，準(zhǔn)靜態(tài)迭加法只適用于載荷激勵(lì)頻率小于結(jié)構(gòu)最低固有頻率1/2的情況，否則將引起結(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致準(zhǔn)靜態(tài)的假設(shè)失效。

模態(tài)分析表明，轉(zhuǎn)向架懸掛件的一階固有頻率一般小于50 Hz，但其承受的加速度激勵(lì)在100 Hz以內(nèi)均存在，因此將激起懸掛件的共振，利用時(shí)域內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)迭加法不能準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)共振下的應(yīng)力，因此也就不能獲得準(zhǔn)確的疲勞壽命，這時(shí)通常需要頻率疲勞分析方法，即隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析方法。

隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析的核心是獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力功率譜G（f）［4］，再通過(guò)應(yīng)力功率譜G（f）構(gòu)建結(jié)構(gòu)應(yīng)力變程的分布函數(shù)p（σ），最后利用線性疲勞損傷準(zhǔn)則獲得材料的疲勞壽命T。

工程運(yùn)用中，p（σ）常用Dirlik的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式：［5］

2 基于標(biāo)準(zhǔn)的輔助安裝座隨機(jī)疲勞評(píng)估

2.1 有限元模型及材料疲勞特性

結(jié)合輔助安裝座的實(shí)體模型以及計(jì)算要求，采用六面體單元對(duì)安裝座進(jìn)行離散，輪緣潤(rùn)滑裝置和排障器及撒砂裝置采用四面體單元離散。輔助安裝座主要采用電弧焊將各個(gè)部件進(jìn)行連接，模型中不直接構(gòu)建焊縫具體形狀，分析時(shí)提取質(zhì)心位于焊趾處單元的應(yīng)力作為焊縫的名義應(yīng)力，以盡量避免包含焊縫結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)有限元模型及焊縫分布如圖1所示。

輔助安裝座采用碳鋼制造，其主要焊縫形式為T型焊縫，母材視為特殊的焊縫形式，各焊縫的疲勞特性參考EN1993-1-9:2005，該標(biāo)準(zhǔn)是歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode 3關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，適用于結(jié)構(gòu)獲得適度的腐蝕保護(hù)和僅受到中等腐蝕（如正常的空氣腐蝕）的情況。焊縫S-N曲線的置信度為75%，存活率為95%，各焊縫的疲勞特性如圖2和表1所示。

▲圖1 輔助安裝座有限元及焊縫分布圖

▲圖2 母材和T型焊縫的S-N曲線圖

表1 75%置信度、95%存活率下的焊縫疲勞強(qiáng)度

2.2 模態(tài)分析

為使結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析在其固有頻率附近聚集，以便更好地模擬結(jié)構(gòu)與激勵(lì)共振頻率下的應(yīng)力分布，隨機(jī)振動(dòng)分析采用模態(tài)疊加法。為了更好地模擬實(shí)際邊界條件，模態(tài)分析是約束其螺栓安裝孔的6個(gè)自由度。根據(jù)IEC61373-2010規(guī)定選取加載頻率在5～250 Hz，為此取安裝座前十六階頻率即可（第十六階頻率為256 Hz）。表2為輔助安裝座前十六階頻率。由于構(gòu)架端部的基頻一般在50～60 Hz之間［2］，安裝座的前幾階固有頻率均在這個(gè)值附近，輔助安裝座在隨構(gòu)架運(yùn)行過(guò)程中很可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，進(jìn)一步說(shuō)明了準(zhǔn)靜態(tài)迭加法失效，不適合用于分析安裝座振動(dòng)疲勞分析，需采用隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析方法來(lái)分析問(wèn)題［7］。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

2.3 振動(dòng)疲勞計(jì)算工況

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61373-2010，在輔助安裝座上施加如圖3所示的加速度激勵(lì)譜，由下至上分別為縱向、橫向和垂向的加速度激勵(lì)譜 （圖中坐標(biāo)軸取雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)）。圖中縱向最大值為X=1.32（m/s2）2/Hz，橫向最大值為Y=4.62（m/s2）2/Hz，垂向最大值為Z=6.12（m/s2）2/ Hz［2］。由模態(tài)分析邊界條件，約束螺栓安裝孔6個(gè)自由度，分別考慮輔助安裝座在3個(gè)方向的加速度激勵(lì)下安裝座疲勞損傷情況。

最終校核標(biāo)準(zhǔn)為超振動(dòng)試驗(yàn)5 h后，不出現(xiàn)疲勞裂紋，即三向疲勞損傷累積不過(guò)1。

▲圖3 IEC61373-2010振動(dòng)加速度功率譜

2.4 振動(dòng)疲勞分析結(jié)果

2.4.1 縱向加速度激勵(lì)

圖4所示為縱向加速度激勵(lì)下輔助安裝座損傷分布，可知在縱向激勵(lì)下輔助安裝座的疲勞薄弱點(diǎn)位于安裝座端板與構(gòu)架端部的螺栓連接處，圖5所示為損傷最嚴(yán)重處的應(yīng)力譜圖，從圖中可以看出，在5～40 Hz這個(gè)區(qū)段的頻率是造成縱向損傷的主要頻率。

2.4.2 橫向加速度激勵(lì)

圖6為橫向加速度激勵(lì)下輔助安裝座損傷分布，可知在橫向激勵(lì)下輔助安裝座的疲勞薄弱點(diǎn)位于撒沙裝置安裝螺栓孔處。圖7為損傷最嚴(yán)重處的應(yīng)力譜圖，可看出5～10 Hz和25～50 Hz這兩個(gè)區(qū)段的頻率是造成橫向損傷的主要頻率。

2.4.3 垂向加速度激勵(lì)

圖8為垂向加速度激勵(lì)下輔助安裝座損傷分布，可知在垂向激勵(lì)下輔助安裝座的疲勞薄弱點(diǎn)位于撒沙裝置螺栓安裝孔處。圖9為損傷最嚴(yán)重處的應(yīng)力譜圖，從圖中可以看出，在5～10 Hz這個(gè)區(qū)段的頻率是造成垂向損傷的主要頻率。

2.4.4 三向疲勞損傷累積

輔助安裝座共49個(gè)焊縫單元不滿足疲勞壽命的要求，表3所示為輔助安裝座損傷最大的前三個(gè)單元。輔助安裝座受橫向加速度激勵(lì)作用下?lián)p傷最大，損傷最大值為D=1.890 836＞1。

表3 輔助安裝座疲勞薄弱點(diǎn)三向累積損傷值

▲圖4 縱向加速度激勵(lì)下安裝座每秒損傷分布圖

▲圖5 疲勞薄弱點(diǎn)應(yīng)力功率譜

▲圖6 橫向加速度激勵(lì)下輔助安裝座每秒損傷圖

▲圖7 疲勞薄弱點(diǎn)應(yīng)力功率譜

▲圖8 垂向加速度激勵(lì)下輔助安裝座每秒損傷圖

▲圖9 疲勞薄弱點(diǎn)應(yīng)力功率譜

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)建立輔助安裝座的有限元模型，得到其固有頻率，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61373-2010分析安裝座在標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)作用下的機(jī)構(gòu)疲勞特性。輔助安裝座疲勞損傷最大值為1.890 836，失效位置位于撒沙裝置安裝板螺栓孔、立板與撒沙裝置安裝板前后連接處，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些位置予以重視，必要時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改正。

在考慮輔助安裝座振動(dòng)疲勞問(wèn)題時(shí)，采用的激勵(lì)是標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)，但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的軌道不平順是復(fù)雜多變的，要得到較為精確的振動(dòng)疲勞壽命，需要采用實(shí)測(cè)激勵(lì)譜對(duì)輔助安裝座進(jìn)行計(jì)算。

［1］International Electrotechnical Commission.IEC 61373-2010 Railway Applications-rolling Stock Equipment-shock and Vibration Test［S］.

［2］尹鄭坤.動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架端部結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法的對(duì)比［C］.合肥：第八屆中國(guó)智能交通年會(huì)，2013.

［3］修瑞仙，肖守訥，陽(yáng)光武，等.基于PSD方法的點(diǎn)焊軌道客車車體隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析 ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，40（8）：27-31.

［4］孟凡濤，胡愉愉.基于頻域法的隨機(jī)振動(dòng)載荷下飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞分析［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44（1）：32-36.

［5］張煒.王璽.徐志勇.基于頻域分析方法的隨機(jī)振動(dòng)疲勞損傷研究.［J］.航空精密制造技術(shù)，2014（10）：5-9.

［6］劉建樹(shù).高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架頻域疲勞壽命分析 ［D］.成都：西南交通大學(xué),2011.

（編輯 丁 罡）

TH113.1；TH122

A

1000-4998（2015）10-0068-03

2015年4月