为研究动车组车体疲劳强度是否符合设计要求,采用主S-N曲线法分别评估车体在EN12663标准中疲劳工况下的疲劳强度和在实测低频载荷谱下的疲劳强度,并将两种工况下的计算结果进行对比。结果表明:在两种工况下车体疲劳强度都符合设计要求;使用EN12663标准提供的工况计算出来的疲劳寿命值更小,按照标准进行设计是十分安全的。 In order to study whether the car body fatigue strength meets the design requirements, the master S-N curve method is used to evaluate the car body’s fatigue strength under fatigue conditions in the EN12663 standard and the fatigue strength under the measured low-frequency load spectrum,and compare the calculation results under two conditions. The results show that the fatigue strength of the car body meets the design requirements under both conditions; the fatigue life value calculated under the fatigue conditions of EN12663 standard is smaller, and it is safe to design according to the standards.
陈秉智,滕飞
大连交通大学机车车辆工程学院,辽宁 大连
收稿日期:2020年7月2日;录用日期:2020年7月17日;发布日期:2020年7月24日
为研究动车组车体疲劳强度是否符合设计要求,采用主S-N曲线法分别评估车体在EN12663标准中疲劳工况下的疲劳强度和在实测低频载荷谱下的疲劳强度,并将两种工况下的计算结果进行对比。结果表明:在两种工况下车体疲劳强度都符合设计要求;使用EN12663标准提供的工况计算出来的疲劳寿命值更小,按照标准进行设计是十分安全的。
关键词 :疲劳寿命评估,主S-N曲线法,车体,载荷谱
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随着运行里程日益增长,动车组已经陆续进入五级修阶段。原有检修制度按照国外方式引进,在动车组运行初期保证了动车组的安全运行,但随着我国高速铁路网拓展,动车组类型和数量也越来越多,原有检修制度中的问题逐渐凸显,疲劳问题正是这些问题中最重要的一个。传统的实验室碰撞过程存在着耗资大,耗时长等缺点。国外的许多国家已经用数值仿真代替碰撞试验,如San Román等人从结构有限元分析出发,在国际铁路联盟标准的基础上提出了焊接构架强度试验的方法;Jung I H等人通过模态应力恢复法预测了车辆结构的疲劳寿命 [
美国ASME标准针对于焊接结构的疲劳寿命评估提供了一种新方法,即主S-N曲线法。该方法由美国新奥尔良大学Pingsha Dong博士发明,是一种可以相对准确计算焊缝疲劳寿命的最新方法。该方法采用网格不敏感结构应力MSS计算方法(Mesh-insensitive Structural Stress Method)及一条主S-N曲线(Master S-N)预测焊接结构焊缝上的疲劳寿命,很好地解决了名义应力法在评估过程中的局限性。
结构应力是由外力引起的,反映了焊缝上与应力集中相关的应力。焊接接头的疲劳破坏模式分为两种,即裂纹从焊根处沿着焊喉方向扩展和焊趾处沿板厚方向扩展。试验表明,第一种破坏模式可以通过改善焊接方式避免,因此这里主要研究第二种破坏模式。此时焊趾处的应力沿板厚方向呈非线性分布,如图1所示。焊趾处总应力为 σ z , σ z 可以分解为膜正应力 σ m 、弯曲正应力 σ b 与非线性峰值应力 σ n 。其中 σ n 是自平衡的缺口应力,膜正应力 σ m 和弯曲正应力 σ b 之和定义为结构应力 σ s ,结构应力与外力平衡。 τ ( z ) 为焊趾处剪切应力,t为板厚, F y 为 y 轴方向的线载荷, M x 为x轴方向的线力矩 [
图1. 焊趾处应力分布
在实际应用时,结构应力的计算是根据能量守恒原则由节点力求得的。组成结构应力 σ s 的膜正应力分量 σ m 和弯曲正应力分量 σ b 分别由作用在其板厚截面上的轴向线力f和线力矩m导致,进而可按材料力学的简单梁公式计算结构应力为:
σ s = σ m + σ b = f t + 6 m t 2 (1)
而轴向线力f和线力矩m则由节点力向量F和节点力矩向量M计算得出:
{ f = F L − 1 m = M L − 1 (2)
式中L为等效转换矩阵,由节点间的距离决定。
等效结构应力是在结构应力的基础上综合考虑了板厚、加载方式、缺口效应等因素之后,通过断裂力学原理推倒出来的。等效结构应力转化方程为 [
Δ S s = Δ σ s t ( 2 − c ) / 2 c I ( r ) 1 / c (3)
以等效结构应力变化范围 Δ S s 为参数的主S-N曲线的焊趾疲劳寿命计算公式为:
N = C d 1 / h Δ S s 1 / h (4)
式中:m = 3.6;T为板厚; I ( r ) 为弯曲度比r的无量纲函数; C d 及h为主S-N曲线试验常数,见表1;N代表疲劳寿命的循环次数。
统计依据 | Cd | h |
---|---|---|
Mean | 3495.13 | 0.28 |
+2σ | 5273.48 | |
−2σ | 2316.48 | |
+3σ | 6477.6 | |
−3σ | 1885.87 |
表1. 主S-N曲线参数表
由于主S-N曲线突破了传统方法S-N曲线与接头类型不易贴合、计算应力与试验加载值不易贴合、网格敏感等局限性,故本文选用主S-N曲线法对车体进行疲劳寿命评估。
利用HyperMesh17建立车体有限元模型,网格以四节点薄壳单元为主,三角形单元为辅,采用柔性单元模拟车辆吊挂设备。整体有限元视图如图2所示。
根据EN12663标准对车体模型进行疲劳工况加载,在车体上选择第一主应力大的焊缝作为危险焊缝进行疲劳寿命计算。除了EN12663标准疲劳工况中涉及的伸缩、横移、纵向三种运动形式外,车体还有点头、摇头、侧滚的运动形式,所以除了根据EN12663标准选择的焊缝外,还分别通过三个转动工况按上述原则选择可能的危险焊缝进行补充。最终在车体上共选择了45条焊缝进行疲劳寿命的计算。部分焊缝第一主应力值见表2。典型危险焊缝44号焊缝有限元视图见图3。
图2. 车体有限元模型
焊接接头编号 | 牵引制动 | 横向振动 | 垂向振动 | 焊缝位置 |
---|---|---|---|---|
1 | 0.0178 | 14.504 | 0.2189 | 车钩处 |
38 | 0.5157 | 0.1121 | 1.2846 | 车顶空调支座附近 |
39 | 2.6039 | 0.1248 | 0.231 | 车顶空调支座附近 |
40 | 2.2059 | 0.0804 | 0.2549 | 车顶空调支座附近 |
44 | 0.347 | 0.0961 | 0.2462 | 二位端门角 |
表2. 部分焊缝第一主应力值(MPa)
图3. 44号焊缝有限元视图
根据EN12663标准对车体模型进行疲劳工况加载,在车体横纵垂三个方向分别施加±0.15 g加速度。在底架与转向架连接处约束垂向、横向位移,在车钩座处约束纵向位移。通过Ansys计算得出车体焊缝各个节点的节点力,通过疲劳寿命计算软件Fe-Weld,得到车体各个焊缝循环一千万次的损伤 [
图4. 44号焊缝的结构应力及等效结构应力
焊缝名称 | 总损伤 | 剩余寿命(年) |
---|---|---|
weld_44 | 6.22E−01 | 38.24 |
weld_40 | 1.38E−01 | 171.76 |
weld_38 | 1.13E−01 | 211.15 |
weld_39 | 9.80E−02 | 245.22 |
weld_1 | 6.49E−02 | 375.37 |
表3. 标准疲劳工况下5条危险焊缝剩余寿命
根据车体在线路运行时的实测低频载荷谱进行加载,约束条件同4.1节。然后利用基于主S-N曲线法的疲劳寿命评估平台Fe-Weld对车体的疲劳寿命进行计算。典型的实测低频载荷谱如图5所示。
图5. 启动工况下浮沉运动加速度载荷谱
按照实测低频载荷谱进行加载,其中寿命最短的五条焊缝的剩余寿命如表4所示。计算结果显示,44号焊缝剩余寿命最短,剩余寿命为39.97年。其余焊缝寿命较长,有较好的抗疲劳性能。
焊缝名称 | 总损伤 | 剩余寿命(年) |
---|---|---|
weld_44 | 3.00E−01 | 39.97 |
weld_2 | 3.03E−02 | 484.52 |
weld_40 | 1.37E−02 | 1084.01 |
weld_38 | 1.02E−02 | 1460.41 |
weld_39 | 4.91E−03 | 3045.47 |
表4. 实测低频载荷谱下5条危险焊缝剩余寿命
参考EN12663标准进行工况施加,对动车组车体进行了设计疲劳寿命评估。结果表明设计寿命最短位置出现在焊接接头编号为44的焊缝焊趾处,估算的设计寿命为48.24年,符合设计标准要求,有较好的抗疲劳强度。目前该车已经运行了十年,则剩余寿命为38.24年。
在实测低频载荷谱下对车体的危险部位进行疲劳寿命评估,根据车体的有限元计算结果,得到各条焊缝上的结构应力。选取铝的主S-N曲线,第44条焊线的剩余寿命最短,为39.97年。
通过车体在两种工况下的剩余寿命计算结果可知,根据EN12663标准进行计算的车体剩余寿命结果更短,表明了EN12663标准中的工况是偏于保守的,按照标准进行设计是完全可靠的。
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陈秉智,滕 飞. 基于主S-N曲线法的车体疲劳寿命评估Fatigue Life Evaluation of Car Body Based on Master S-N Curve Method[J]. 交通技术, 2020, 09(04): 322-327. https://doi.org/10.12677/OJTT.2020.94039