基于ANSYS WORKBENCH有限元軟件的輪對疲勞壽命評估＊

華 亮 田 威 曾 超 廖文和

（1.南京航空航天大學(xué)理學(xué)院，210016，南京；2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210031，南京；3.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，210016，南京∥第一作者，講師）

現(xiàn)行的鐵路貨車檢修制度規(guī)定，零部件一旦達到其設(shè)計壽命，不管其有沒有損傷，都直接報廢。這無形中造成了資源的巨大浪費。輪對是機車車輛的主要部件，每年直接或間接報廢的輪對數(shù)量相當可觀。對于達到設(shè)計壽命的輪對，如果無損傷或只有輕微損傷，且尚有足夠的剩余壽命的話，則完全可以將其用于再制造，以節(jié)省大量資源。因此，評估輪對的疲勞壽命就顯得至關(guān)重要。

有限元軟件ANSYS WORKBENCH是一款在航空、鐵路、機械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）分析軟件，具有強大的仿真分析能力。本文采用ANSYS WORKBENCH13.0軟件，以常用的鐵路貨車輪對為研究對象，在對其進行靜強度分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS WORKBENCH軟件中的FATIGUE模塊TOOL工具對其疲勞壽命進行仿真計算，以確定達到設(shè)計壽命后而無損傷的輪對能否用于再制造。

1 輪對的有限元模型

本文選用由CL60鋼整體車輪、LZ50鋼RD2型實心車軸組成的輪對為研究對象，輪軸配合最大過盈量取0.3mm，車輪和車軸的彈性模量取209 GPa，泊松比取0.3，材料S－N（應(yīng)力－壽命）曲線取自ASME BPV Code（美國機械工程師協(xié)會鍋爐及壓力容器規(guī)范）。

輪對三維實體模型是在三維制圖軟件PRO／E中繪制的，繪制完成后可由有限元軟件ANSYS WORKBENCH直接引用；在該有限元軟件中對其進行網(wǎng)格劃分，即可生成輪對的有限元模型。模型中離散單元數(shù)為104 541個，節(jié)點數(shù)為372 684個。離散前和離散后的輪對模型如圖1所示。

ANSYS WORKBENCH軟件的疲勞分析基于靜力分析，因此，首先對輪對進行靜強度仿真計算。

圖1 輪對有限元模型

2 輪對的靜強度計算

2.1 計算工況與載荷

輪對在實際運行過程中受到的載荷十分復(fù)雜，本文參照歐洲鐵路聯(lián)盟標準［1］，將輪對的受載工況簡化為如下3種進行計算。

1）工況1：垂直靜載荷工況，即輪對承受垂直靜載荷加過盈量；

2）工況2：直線運行工況，即輪對承受垂直動載荷加過盈量；

3）工況3：曲線運行工況，即輪對承受垂直動載荷加橫向動載荷加過盈量。

其中，垂直靜載荷為車軸軸重的一半，垂直動載荷和橫向動載荷為垂直靜載荷分別乘以垂向動荷系數(shù)和橫向動荷系數(shù)。參照歐洲鐵路聯(lián)盟標準，垂向動荷系數(shù)和橫向動荷系數(shù)分別取0.25及0.70。仿真計算時，在軸頸端施加位移約束。

2.2 靜強度評定標準

按照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，承受復(fù)雜應(yīng)力的構(gòu)件，其最大當量應(yīng)力σe應(yīng)小于其許用應(yīng)力。當量應(yīng)力的計算公式為：

式中：σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，單位為 MPa。

2.3 仿真結(jié)果

由表1的結(jié)果可知：車軸在工況3所承受的最大當量應(yīng)力為164.86MPa，車輪在工況2所承受的最大當量應(yīng)力為366.5MPa，但均小于其許用應(yīng)力［2］。因此，輪對滿足靜強度要求。

表1 輪軸仿真最大當量應(yīng)力與許用應(yīng)力對比 MPa

由圖2、圖3的仿真結(jié)果顯示，車輪最大當量應(yīng)力在輪轂部位，車軸最大當量應(yīng)力在輪座部位。這和輪對的實際受力情況是吻合的。

圖2 工況2的車輪最大當量應(yīng)力云圖

圖3 工況3的車軸最大當量應(yīng)力云圖

3 輪對疲勞壽命仿真

輪對在實際運行過程中的載荷時間歷程可由動力學(xué)分析軟件仿真得到，也可由線路實測數(shù)據(jù)得到。本文計算用到的輪對載荷時間歷程采用青島四方車輛研究所有限公司由實測數(shù)據(jù)經(jīng)雨流計數(shù)法和數(shù)據(jù)擬合后得到的八級載荷譜［3］。其數(shù)據(jù)如表2所示。利用ANSYS WORKBENCH軟件的FATIGUE模塊計算輪對在隨機載荷作用下的疲勞壽命。壽命結(jié)果報告中顯示的是零件失效時所能承受的載荷“塊”的數(shù)量（來表示輪對的疲勞壽命），而不是載荷循環(huán)次數(shù)。

表2 RD2軸八級載荷譜

由圖4、圖5的仿真結(jié)果顯示，車軸的疲勞壽命為1 685.4塊，車輪的疲勞壽命為1 330.7塊。每承受1塊載荷，車輛的運行距離約為2 637.6（3.14×0.84×1 000）km。如按車輛每年平均運行10萬km計算［4］，則車軸的使用壽命約為44.45年，車輪的使用壽命約為35.1年。兩者壽命均遠大于其設(shè)計壽命25年［5］。

圖4 車軸疲勞壽命云圖

圖5 車輪疲勞壽命云圖

有研究者對服役的36 050根鐵路車軸進行了實際使用時間的統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示［6］。統(tǒng)計結(jié)果表明：在交變載荷及復(fù)雜服役條件下，車軸在輪座部位易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致車軸的實際使用壽命多數(shù)集中在6～25年，但無裂紋車軸的壽命一般均超過25年，最大使用壽命超過31年。這和輪對仿真壽命相比是基本吻合的。

圖6 實測車軸壽命分布

綜上所述，當輪對達到設(shè)計壽命后，經(jīng)無損檢測如沒有產(chǎn)生損傷，則可以直接用于再制造；如產(chǎn)生輕微損傷，則可以采用先進的再制造技術(shù)處理后再用于再制造，以節(jié)省大量資源。

4 結(jié)語

采用ANSYS WORKBENCH軟件對輪對的疲勞靜強度進行了校核。結(jié)果顯示，車輪和車軸承受的當量最大應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，滿足輪對靜強度的要求。

采用ANSYS WORKBENCH軟件對輪對在隨機載荷條件下的疲勞壽命進行了計算。結(jié)果表明，輪對疲勞壽命遠大于其設(shè)計壽命。因此，對使用年限達到設(shè)計壽命的輪對，如沒產(chǎn)生損傷，則可用于再制造。

［1］PREN 13979鐵路應(yīng)用輪對與轉(zhuǎn)向架車輪技術(shù)驗收程序［S］.

［2］田合強，王建斌，鄔平波.基于有限元的輪對強度計算及評定［J］.機械，2007（7）：11.

［3］侯衛(wèi)星.車軸疲勞裂紋擴展的計算與分析［J］.鐵道學(xué)報，1993，15 （2）：8.

［4］劉德剛，侯衛(wèi)星，王鳳洲，等.基于有限元技術(shù)的構(gòu)件疲勞壽命計算［J］.鐵道學(xué)報，2004，26（2）：47.

［5］TG／CL 110—2011鐵路貨車廠修規(guī)程［S］.

［6］盧虓宇.鐵路貨車輪對冷加工質(zhì)量保障關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.