謝素明 ，韓志遠(yuǎn) ，牛春亮 ，王懷東

(1. 大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2. 中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)工程研發(fā)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

0 引言

作為連接車(chē)體與轉(zhuǎn)向架的鋁合金地鐵車(chē)體枕梁，在列車(chē)運(yùn)用過(guò)程中，既承受著由空氣彈簧傳遞的車(chē)體垂向載荷又承受著由牽引梁傳遞的車(chē)鉤縱向載荷[1]，在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)枕梁焊縫處存在疲勞裂紋問(wèn)題.因此，枕梁及其連接部件的強(qiáng)度問(wèn)題在地鐵車(chē)體的設(shè)計(jì)階段受到重點(diǎn)關(guān)注.

鋁合金枕梁的研究工作主要涉及到結(jié)構(gòu)性能分析、制造以及焊接工藝方面.張冉以新加坡鋁合金枕梁為研究對(duì)象，對(duì)枕梁的焊縫進(jìn)行靜強(qiáng)度分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)，并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究，針對(duì)強(qiáng)度薄弱部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)[2]；鄒俠銘針對(duì)鋁合金枕梁生產(chǎn)中出現(xiàn)的焊接變形量大、焊縫存在缺陷等質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)行了分析并制定了有效的改進(jìn)措施[3].田有剛根據(jù)EN 15614-2標(biāo)準(zhǔn),對(duì)牽枕緩焊接接頭進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，并借助試驗(yàn)分析牽枕緩焊接變形的產(chǎn)生原因，提出了預(yù)留工藝放量、制作專(zhuān)用工裝等措施來(lái)控制焊接變形[4].當(dāng)前，車(chē)體枕梁部件已經(jīng)由焊縫密集的鋁合金板材組成結(jié)構(gòu)演變?yōu)橹饕射X合金型材對(duì)接組成結(jié)構(gòu)，鋁合金型材組成的枕梁焊縫數(shù)量少、強(qiáng)度高.

為了適應(yīng)我國(guó)軌道車(chē)輛的國(guó)際化發(fā)展，現(xiàn)執(zhí)行的國(guó)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)體承載工況復(fù)雜且多樣化，對(duì)車(chē)體性能提出了更高的要求.當(dāng)考慮轉(zhuǎn)向架與車(chē)體相對(duì)加速度3g沖擊時(shí)，縱向沖擊力與枕梁下表面有一定的距離，致使枕梁承受相當(dāng)大的彎矩，造成枕梁與中心銷(xiāo)座(與轉(zhuǎn)向架連接)的連接部位強(qiáng)度裕量不足.

該工況試驗(yàn)時(shí)，由于中心銷(xiāo)座的存在，無(wú)法通過(guò)應(yīng)變片檢測(cè)該連接區(qū)域，存在著相當(dāng)?shù)陌踩[患.本文建立某鋁合金地鐵枕梁及其連接部件實(shí)體接觸分析模型，研究加載高度、聯(lián)接螺栓數(shù)量、以及中心銷(xiāo)座厚度對(duì)部件強(qiáng)度的影響；依據(jù)部件接觸面積，建立枕梁及其連接部件強(qiáng)度快速分析模型，提高建模和求解效率；并利用快速分析模型開(kāi)展枕梁及其連接部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì).

1 結(jié)構(gòu)及承載特點(diǎn)

某鋁合金地鐵車(chē)體枕梁結(jié)構(gòu)由兩型材和板材組焊構(gòu)成，其中枕梁型材與中蓋板為對(duì)接焊連接，加強(qiáng)板與枕梁型材及中蓋板之間采用角焊連接[5].連接轉(zhuǎn)向架的中心銷(xiāo)座與枕梁通過(guò)八個(gè)聯(lián)接螺栓連接；枕梁與地板型材、邊梁以及牽引梁均為焊接連接，參見(jiàn)圖1.枕梁型材為ENAW-6082，其屈服強(qiáng)度為260，中蓋板以及與枕梁型材連接的加強(qiáng)板、牽引梁連接板等材質(zhì)均為EN-AW6005A，其屈服強(qiáng)度為215，焊縫熱影響區(qū)的屈服強(qiáng)度為115.中心銷(xiāo)為鑄鋼件，螺栓性能等級(jí)8.8級(jí).轉(zhuǎn)向架與車(chē)體以相對(duì)加速度3 g沖擊時(shí)，沖擊載荷為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量乘以3 g(加速度g取為9.81m/s2).由于沖擊載荷施加在與枕梁下表面具有一定高度距離的中心銷(xiāo)座上，所以，轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的縱向力先傳遞給中心銷(xiāo)座，然后通過(guò)螺栓傳遞給枕梁，枕梁與中心銷(xiāo)座連接部位會(huì)受到相當(dāng)大的附加彎矩作用.

圖1 枕梁及其連接結(jié)構(gòu)示意圖

2 強(qiáng)度影響因素

轉(zhuǎn)向架沖擊產(chǎn)生的附加彎矩作用，會(huì)較大地影響枕梁與中心銷(xiāo)座的接觸關(guān)系.因此，為了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，枕梁及其連接部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型必須考慮枕梁、中心銷(xiāo)、螺栓以及螺栓墊片之間的相互作用關(guān)系.接觸分析模型中(圖2)，枕梁、牽引梁、地板連接板、螺栓、墊片以及中心銷(xiāo)座均離散為實(shí)體單元，其它部件離散為四節(jié)點(diǎn)薄殼單元，單元總數(shù)為784 043；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為714 971，其中：部件之間定義了26個(gè)接觸對(duì)，摩擦系數(shù)取為0.15，轉(zhuǎn)向架質(zhì)量為8 100 kg.

圖2 枕梁及其連接部件強(qiáng)度分析的接觸模型

進(jìn)行含有螺栓聯(lián)接問(wèn)題的接觸分析時(shí)，要通過(guò)施加螺栓預(yù)緊力來(lái)調(diào)試接觸模型.枕梁與中心銷(xiāo)座的聯(lián)接螺栓為M24，預(yù)緊力矩500 N·m，螺栓預(yù)緊力為104 167 N.需要構(gòu)建預(yù)緊單元來(lái)施加螺栓預(yù)緊力.調(diào)試接觸模型時(shí)需注意：①選擇剛度較大的中心銷(xiāo)座面為目標(biāo)面；②低估值的接觸剛度比高估值的接觸剛度要好，較低的接觸剛度比過(guò)高的接觸剛度導(dǎo)致的收斂困難問(wèn)題更容易解決，本文接觸剛度由0.1開(kāi)始設(shè)置，然后由小變大，慢慢調(diào)整至0.5，此時(shí)孔邊區(qū)域應(yīng)力值趨于穩(wěn)定；③通過(guò)預(yù)緊力工況判定施加的預(yù)緊力是否正確[6].轉(zhuǎn)向架沖擊載荷為238 kN；加載高度為355 mm.接觸分析模型的位移約束：空氣彈簧位置約束垂向線(xiàn)位移，底架地板兩端約束縱向線(xiàn)位移，底架邊梁與側(cè)墻連接部位約束垂向和橫向線(xiàn)位移.

兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)向架沖擊工況的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.由圖3可以看出：枕梁與中心銷(xiāo)連接的螺栓孔附近(孔邊的第二層結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，參見(jiàn)圖4)為高應(yīng)力區(qū)域，其中+3 g工況的應(yīng)力大于-3 g工況的，最大Von. Mises應(yīng)力值接近150 MPa，該區(qū)域均為焊縫熱影響區(qū)，屈服強(qiáng)度為115 MPa.

(a)預(yù)緊力工況

(b) -3g工況

(c) +3g工況

圖3枕梁及其聯(lián)接部件接觸區(qū)域的應(yīng)力云圖

載荷施加高度分別為250、355、500 mm時(shí)，轉(zhuǎn)向架沖擊+3g工況作用下，沿聯(lián)接螺栓孔邊(應(yīng)力選取位置見(jiàn)圖4)的Von. Mises應(yīng)力變化曲線(xiàn)如圖5所示.由圖5可以看出：①加載高度越高，螺栓孔邊的應(yīng)力就越大，當(dāng)沿孔邊距離A點(diǎn)30mm時(shí)，隨著加載高度的增加，應(yīng)力值分別為114.497、143.581和177.023MPa；②相同加載高度時(shí)，沿孔邊距離A點(diǎn)36 mm時(shí)(離焊縫最近的區(qū)域)孔邊的應(yīng)力達(dá)到最大，三種加載高度對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為116.698、147.816、184.126 MPa；當(dāng)聯(lián)接螺栓數(shù)量分別為6,8,10時(shí)，在轉(zhuǎn)向架沖擊+3 g工況作用下，沿聯(lián)接螺栓孔邊的Von. Mises應(yīng)力變化曲線(xiàn)如圖6所示.由圖6可以看出：①螺栓數(shù)量越多，螺栓孔邊的應(yīng)力越小，當(dāng)螺栓數(shù)量分別為6、8、10，沿孔邊距離A點(diǎn)30mm時(shí)，應(yīng)力分別為186.122、143.19、125.18 MPa；②當(dāng)螺栓數(shù)量由8個(gè)減為6個(gè)時(shí)，螺栓孔邊的應(yīng)力增加幅度非常明顯，增幅最大為50 MPa；當(dāng)螺栓數(shù)量由8個(gè)增加為10個(gè)時(shí)，螺栓孔邊的應(yīng)力有一定的降幅，降幅最大為21 MPa；中心銷(xiāo)座厚度分別為25、30和35 mm時(shí)，在轉(zhuǎn)向架沖擊+3 g工況作用下，沿聯(lián)接螺栓孔邊的Von. Mises應(yīng)力變化曲線(xiàn)如圖7所示.由圖7可以看出：當(dāng)沿孔邊距離A點(diǎn)60 mm以?xún)?nèi)時(shí)，中心銷(xiāo)座的厚度對(duì)孔口區(qū)域應(yīng)力影響較?。划?dāng)距離A點(diǎn)60～66 mm時(shí)，中心銷(xiāo)座的厚度對(duì)孔口區(qū)域應(yīng)力影響較大.

圖4 應(yīng)力數(shù)據(jù)選取位置示意圖

圖5 不同加載高度對(duì)孔口區(qū)域應(yīng)力的影響

圖6 螺栓數(shù)量對(duì)孔口區(qū)域應(yīng)力的影響

圖7 中心銷(xiāo)座厚度對(duì)孔口區(qū)域應(yīng)力的影響

3 快速分析模型

沖擊工況下枕梁及其連接部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度接觸分析的建模工作量大、計(jì)算耗時(shí)且難于收斂.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)重分析時(shí)，周期過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足高效率的設(shè)計(jì)要求.經(jīng)過(guò)分析上述計(jì)算結(jié)果，可以獲得沖擊工況下枕梁和中心銷(xiāo)座的接觸面積，據(jù)此，在枕梁及其連接部件的殼單元模型中，采用beam梁?jiǎn)卧M螺栓，借助“位移耦合”建立枕梁和中心銷(xiāo)座的傳力關(guān)系，可極大地提高建模效率和計(jì)算速度.枕梁及其連接部件強(qiáng)度快速分析模型以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔，單元總數(shù)為176142，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為85813.

轉(zhuǎn)向架正向沖擊載荷加載高度為355 mm，快速分析模型的枕梁與中心銷(xiāo)連接的螺栓孔附近的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8，由A-B沿孔邊的兩種分析模型的應(yīng)力如圖9所示.由圖9可以看出：快速分析模型的應(yīng)力均大于實(shí)體接觸模型的，兩者的最大誤差為9%，發(fā)生在沿孔邊距離A點(diǎn)18 mm處.當(dāng)沿孔邊距離A點(diǎn)36 mm時(shí)，兩模型的孔邊應(yīng)力均達(dá)到最大；當(dāng)沿孔邊距離A點(diǎn)大約42～66 mm之間時(shí)，兩種模型的計(jì)算結(jié)果基本一致.

圖8 接觸區(qū)域的應(yīng)力云圖

圖9 兩種模型的孔口區(qū)域的應(yīng)力曲線(xiàn)

結(jié)合圖3和圖8,得知，枕梁及其連接部件接觸區(qū)域的安全系數(shù)為0.78.究其原因，枕梁與牽引梁連接焊縫位置位于大應(yīng)力區(qū)域，且該區(qū)域的屈服強(qiáng)度低.若將枕梁型材下表面連接部位增寬20 mm，與其連接的牽引梁下表面相應(yīng)縮短20 mm(參見(jiàn)圖10).這樣一來(lái)，枕梁與中心銷(xiāo)聯(lián)接螺栓孔就遠(yuǎn)離了枕梁與牽引梁連接焊縫，枕梁型材的屈服強(qiáng)度為260 MPa，這時(shí)，枕梁及其連接部件接觸區(qū)域的安全系數(shù)為1.73.

圖10 枕梁和牽引梁局部改進(jìn)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

(1)在轉(zhuǎn)向架沖擊載荷作用下，枕梁與中心銷(xiāo)座的連接部位為強(qiáng)度薄弱區(qū)域，其中正沖擊工況的枕外連接部位應(yīng)力更大；

(2)加載高度和聯(lián)接螺栓數(shù)量對(duì)部件強(qiáng)度的影響大，高度越高、螺栓數(shù)量少、應(yīng)力越大；中心銷(xiāo)座厚度對(duì)部件強(qiáng)度的影響很??；

(3)快速分析模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)體接觸模型的結(jié)果最大誤差為9%，且前者的應(yīng)力均大于后者的.所以，可以利用快速分析模型對(duì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)的進(jìn)行保守的強(qiáng)度分析；

(4)增寬枕梁型材下表面和縮短與其連接的牽引梁下表面的改進(jìn)方案，可提高枕梁及其連接部件接觸區(qū)域的安全系數(shù).