基于剛?cè)狁詈戏抡娴霓D(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架疲勞壽命預測

方 吉,樸明偉,張 軍,兆文忠

(大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧大連116028)

目前我國鐵路貨車正在大量使用三大件式轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架,轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架作為一種新型轉(zhuǎn)向架,與以往的轉(zhuǎn)K 2和轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架相比結(jié)構(gòu)和性能都有所改進,一系采用八字型橡膠墊大大減少了側(cè)架所承受的沖擊力,但由于貨車載重量和運行速度的提高,載荷工況更加復雜,使得轉(zhuǎn)向架的疲勞問題更難預測[1,2]。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架疲勞壽命預測主要是基于實測的載荷譜,然后結(jié)合有限元靜態(tài)強度計算的結(jié)果進行疲勞預測。但獲得實測載荷譜需要花費很多的人力和物力,使整個產(chǎn)品的設(shè)計周期延長,且沒有考慮動態(tài)載荷對結(jié)構(gòu)動應(yīng)力的影響。基于剛?cè)狁詈戏抡娴呢涇囖D(zhuǎn)向架疲勞預測,可以考慮激擾頻率對結(jié)構(gòu)振動的影響,能節(jié)約設(shè)計成本,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

本文首先在CAD軟件中根據(jù)轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)尺寸建立搖枕和側(cè)架的三維幾何模型,然后利用有限元軟件對其進行有限元網(wǎng)格劃分,進行模態(tài)計算,并生成模態(tài)中性文件(.MNF),把搖枕和側(cè)架的模態(tài)中性文件導入到動力學仿真分析軟件ADAMS/Rail中,建立C80敞車的剛?cè)狁詈蟿恿W仿真模型。以軌道不平順為激擾源,進行動力學仿真計算,然后把仿真得到的模態(tài)坐標時間歷程DAC文件導入到NASTRAN軟件中,利用模態(tài)綜合法進行動應(yīng)力恢復,并獲得搖枕和側(cè)架上每個節(jié)點的動應(yīng)力時間歷程,再結(jié)合由試驗測得的B+級鋼疲勞特征S-N曲線,對轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架搖枕和側(cè)架的疲勞壽命進行預測。

1 動應(yīng)力恢復方式的選取

動應(yīng)力恢復方式有靜態(tài)方式(Static)、模態(tài)方式(M odal)和子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合方式(CMS)。在3種動應(yīng)力恢復方式中,CMS方式考慮了柔性體在約束作用下所形成的靜態(tài)變形特征。CMS模態(tài)是由如下兩個子集組成:固有模態(tài)和約束模態(tài)。正則化后的約束模態(tài)反映了柔性體在幾何約束作用下所形成的主要靜態(tài)變形特征,因而稱為特征約束模態(tài)。因此,在CMS應(yīng)力恢復過程中,動應(yīng)力是由約束力確定的,包含了準靜態(tài)和動態(tài)載荷成分,這有利于結(jié)構(gòu)柔性體的動力作用影響分析,所以本文采用CMS方式進行動應(yīng)力恢復[3]。

2 創(chuàng)建柔性體模型

首先建立轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架搖枕和側(cè)架的有限元模型,搖枕采用6面體單元,劃分了106 832個單元,136 552個節(jié)點,如圖1所示。側(cè)架采用4面體單元,劃分了406 828個單元,107 065個節(jié)點,如圖2所示。

選取約束自由度時,主要考慮柔性體的邊界條件,例如在貨車運行過程中,側(cè)架要和承載鞍、搖枕交叉桿及斜楔等發(fā)生相互作用,相互之間的動作用力相對于側(cè)架來說是外界的激擾載荷。應(yīng)該在相互作用面上設(shè)定約束自由度,為了縮減自由度,選取約束自由度也是有取舍的,是根據(jù)經(jīng)驗和外載荷大小及結(jié)構(gòu)的剛度來選取的。

通過模態(tài)分析,獲得搖枕和側(cè)架的模態(tài),并生成柔性體文件。搖枕一共取37階模態(tài)的前6階為剛體模態(tài),后31階為約束模態(tài)和自由模態(tài)。由于側(cè)架受力條件比較復雜,所以一共取了60階模態(tài)[4](見表1)。

3 建立剛?cè)狁詈蟿恿W仿真模型

首先利用前面生成的搖枕和側(cè)架柔性體模型建立剛?cè)峄旌蟿恿W仿真模型如圖3所示,其中車體采用C80敞車重載時的車體參數(shù),轉(zhuǎn)向架為轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架的剛?cè)峄旌夏Ｐ汀?/p>

圖1 搖枕有限元模型及約束模態(tài)的選取

圖2 側(cè)架有限元模型及約束模態(tài)的選取

表1 搖枕和側(cè)架的前4階模態(tài)列表 Hz

圖3 C80敞車剛?cè)狁詈蟿恿W模型

4 準靜態(tài)計算應(yīng)力與試驗結(jié)果對比

為了驗證所建剛?cè)狁詈蟿恿W模型的正確性,有必要與靜態(tài)強度試驗結(jié)果進行對比,由于強度試驗是根據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定設(shè)定載荷,為了保證載荷工況的一致性,首先按照側(cè)架靜強度試驗施加載荷349 kN,折合車體質(zhì)量為142 t。按車體142 t在ADAMS/Rail中進行仿真計算,讓車體靜止停放在軌道上,仿真時間10 s(圖4、圖5)。

圖4 側(cè)架最大主應(yīng)力位置1

圖5 側(cè)架最大主應(yīng)力位置2

按照前面的方法針對搖枕的靜態(tài)強度計算載荷443 kN,折合到車體為90.3 t。靜置在軌道上,仿真時間 10 s(圖 6、圖 7)。

通過仿真計算的結(jié)果與試驗測得轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架最大主應(yīng)力對比的表2可以看出,利用模態(tài)疊加法獲得的準靜態(tài)應(yīng)力計算結(jié)果與試驗結(jié)果在最大應(yīng)力出現(xiàn)的部位上是一致的,數(shù)值上略有差別。但差別不大,總的來看結(jié)果還是令人滿意的。

圖6 搖枕最大主應(yīng)力位置1

圖7 搖枕最大主應(yīng)力位置2

表2 準靜態(tài)動應(yīng)力恢復與試驗最大主應(yīng)力對比

5 線路仿真及動應(yīng)力恢復

根據(jù)我國目前貨車提速120 km/h的要求,以C80敞車為例進行動力學仿真,仿真速度取120 km/h,由于我國京滬、京廣、京哈3大干線軌道譜軌向不平順波長在1～30m范圍內(nèi),其中7～30m波長范圍內(nèi)與美國5級譜相當,高度不平順在整個波長范圍內(nèi)都比美國5級譜好,比美國6級譜要差。為保守起見取美國5級軌道不平順作為激擾進行動力學仿真[5]。仿真結(jié)束后,提取模態(tài)時間歷程文件,并進行動應(yīng)力恢復。通過熱點分析得到最大應(yīng)力發(fā)生在22 s,查看第22 s動應(yīng)力恢復結(jié)果如圖8、圖9。

6 疲勞壽命分析

圖8 側(cè)架動態(tài)高應(yīng)力區(qū)

圖9 搖枕動態(tài)高應(yīng)力區(qū)

由于轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架采用的是B+級鋼鑄造,根據(jù)B+級鋼的試驗數(shù)據(jù),利用升降法進行處理,獲得存活率為P=50%時的S-N曲線,并采用Haibach提出的在疲勞極限以下部分的S-N曲線在對數(shù)坐標下按-1/(2m-1)的斜率延長,其對應(yīng)的表達式為:

由于B+級剛的S-N曲線(圖10)是在對稱循環(huán)條件下測得的(應(yīng)力比R=-1,應(yīng)力均值為零,R=S min/S max),而搖枕和側(cè)架所受的載荷基本上是非對稱的隨機載荷,為此,在計算過程中引入Goodman經(jīng)驗公式將實際工作應(yīng)力級轉(zhuǎn)換為對稱循環(huán)應(yīng)力級,應(yīng)力譜的轉(zhuǎn)換公式如下:

圖10 試驗獲得的B+級鋼的S-N曲線

圖11 搖枕的壽命云圖及疲勞危險部位

圖12 側(cè)架的壽命云圖及疲勞危險部位

式中 Sa為應(yīng)力幅值;Sa(R=-1)為循環(huán)應(yīng)力均值為零時的應(yīng)力幅值;Sm為應(yīng)力均值;Su為材料的拉伸極限,Su=545MPa。

根據(jù)M iner線性積累損傷原則,首先求得單個應(yīng)力譜塊在運行里程內(nèi)的損傷(無量綱),然后對其求和,再取倒數(shù)得到壽命。

由于空車的載荷幅度比重車要小很多,重車運行情況決定著轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架的疲勞壽命,因此只需要分析重車的運行里程數(shù),就能獲得轉(zhuǎn)K 6轉(zhuǎn)向架的疲勞壽命(圖 11、圖 12)。

經(jīng)驗表明,在大多數(shù)情況下,鑄件疲勞裂紋始于有明顯鑄造缺陷或局部應(yīng)力集中的區(qū)域。而有數(shù)據(jù)表明鑄件中Kf=1.5～2的中等缺陷占總樣本的比例最大,屬于最常見的缺陷等級[6]。但在1.5到2之間到底取多少為好,還不確定,因此本文把Kf在1.5～2之間進行了搖枕和側(cè)架的疲勞計算,并繪制出K f與壽命的關(guān)系圖加以分析(圖13)。

圖13 搖枕和側(cè)架的疲勞壽命與應(yīng)力集中系數(shù) K f之間的關(guān)系曲線(存活率95%)

7 結(jié)論

(1)通過與試驗對比發(fā)現(xiàn),基于合理的剛?cè)狁詈夏Ｐ屯ㄟ^CMS動應(yīng)力恢復法獲得的動應(yīng)力與試驗數(shù)據(jù)基本吻合。

(2)經(jīng)過對比分析,搖枕壽命比側(cè)架高,可能是因為側(cè)架載荷變化比較劇烈,經(jīng)過一系減振后搖枕載荷工況相對較好,根據(jù)相關(guān)文獻應(yīng)力集中系數(shù)K f大多數(shù)取1.55,根據(jù)計算側(cè)架疲勞壽命為463萬 km,搖枕為2 013萬km。

(3)基于剛?cè)峄旌夏Ｐ屯ㄟ^模態(tài)疊加法獲得的動應(yīng)力可以直接進行疲勞計算,對于鑄件來說非常方便,可以直接對整個構(gòu)件進行全范圍的疲勞評估,獲得疲勞區(qū)域及其壽命。

[1]鄔平波,溫松濤,王建斌,等.提速貨車轉(zhuǎn) K2型轉(zhuǎn)向架側(cè)架疲勞壽命預測[J].中國鐵道科學,2009,30(1):91-94.

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[3]樸明偉,方 吉,趙欽旭,等.基于剛?cè)狁詈戏抡娴募b箱車體振動疲勞分析[J].振動與沖擊,2009,28(3):1-5.

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