基于FE-SAFE的牽引拉桿疲勞可靠性分析

胡明廣，李永華，王劍，秦強

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

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基于FE-SAFE的牽引拉桿疲勞可靠性分析

胡明廣，李永華，王劍，秦強

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

在對牽引拉桿進行靜強度分析基礎(chǔ)上，運用ANSYS/FE-SAFE軟件分析并計算其疲勞壽命；基于應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線，以無故障行駛里程數(shù)為可靠性評價指標，計算牽引拉桿的中位壽命和可靠度為99%下的壽命，為車輛安全可靠運行提供科學依據(jù).

牽引拉桿；靜強度；P-S-N曲線；疲勞可靠性

0 引言

牽引拉桿裝置是軌道車輛上至關(guān)重要的承載部件，用來傳遞縱向牽引力和制動力[1].因為車輛運行中會頻繁地啟動和制動，所以牽引拉桿會長期承受往復的交變載荷作用[1]，可能會產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴展將引發(fā)疲勞破壞.牽引拉桿在使用過程中所受到的循環(huán)應(yīng)力遠小于材料的許用應(yīng)力，一般不會因材料強度不足而發(fā)生破壞，其主要破壞形式是疲勞破壞.由于牽引拉桿位置特殊，發(fā)生疲勞破壞時不易被發(fā)現(xiàn)[2]，所以牽引拉桿在使用過程中很容易引發(fā)事故[3].據(jù)不完全統(tǒng)計，機車車輛在鐵路上運行的過程中曾多次出現(xiàn)牽引拉桿斷裂的案例.為保證牽引拉桿在使用過程中的安全性和可靠性，有必要對牽引拉桿進行疲勞可靠性分析.

牽引拉桿疲勞可靠性分析過程中受諸多不確定性因素，如結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷、材料的屬性、外部的載荷和加工尺寸誤差等[4]的影響，很難找出一種確定方法來計算其疲勞壽命.本文通過對牽引拉桿的靜強度分析，利用應(yīng)力-壽命模型和可靠性理論，基于簡化的正弦載荷激勵，運用疲勞累計損傷理論和雨流計數(shù)法，用FE-SAFE軟件來分析計算牽引拉桿的疲勞可靠性.

1 牽引拉桿靜強度分析

某型號動車組的牽引拉桿裝置主要由牽引座和牽引拉桿組成，牽引座固定在車體上，牽引拉桿連接在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁上，主要傳遞車體和轉(zhuǎn)向架的縱向力[5].牽引拉桿裝置有限元模型如圖1所示.

圖1 牽引拉桿裝置

某型號動車組在軌道上運行時，牽引拉桿主要承受牽引或制動的交變載荷作用.長時間的牽引或制動會使牽引拉桿產(chǎn)生疲勞破壞.為確保該裝置安全、可靠的工作，對牽引拉桿進行靜強度分析和疲勞可靠性分析顯得尤為重要.

車輛啟動或制動時，載荷由轉(zhuǎn)向架通過牽引裝置傳遞給車體，牽引拉桿在此過程中受到縱向的牽引力或制動力.根據(jù)UIC615- 1規(guī)定[5]：當牽引拉桿承受的縱向力≤3g倍轉(zhuǎn)向架質(zhì)量時，牽引裝置不會產(chǎn)生永久的變形；當牽引拉桿承受的縱向力≤5g倍轉(zhuǎn)向架質(zhì)量時，牽引拉桿裝置會發(fā)生永久變形[6].本例所用的車型轉(zhuǎn)向架質(zhì)量為22 t，最大牽引力或制動力為200 kN，牽引拉桿材料選用SAE_950C塑性鋼，材料的屈服極限為350 MPa，抗拉強度為400 MPa.

牽引拉桿有限元模型的網(wǎng)格采用四面體實體單元solid185，單元個數(shù)為98 502，節(jié)點個數(shù)為24 544，網(wǎng)格劃分時將過渡圓弧的部分細化以提高其計算精度.牽引拉桿的有限元模型如圖2所示.

圖2 牽引拉桿的有限元模型圖

牽引拉桿在該典型工況下靜強度分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 牽引拉桿的第一主應(yīng)力云圖

從圖3的第一主應(yīng)力云圖中可看出，牽引拉桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿頭與桿身的連接處.其最大應(yīng)力為158 MPa，小于材料的屈服極限350 MPa，牽引拉桿不會因為靜強度不足而發(fā)生破壞.考慮到牽引拉桿長期受到牽引或制動交變載荷的作用，可能會使其發(fā)生疲勞破壞，所以要對牽引拉桿進行疲勞可靠性分析.

2 基于ANSYS/FE-SAFE牽引拉桿疲勞可靠性分析

2.1 疲勞壽命分析

牽引拉桿疲勞壽命分析以靜強度分析的結(jié)果為根據(jù)，求出單位載荷的節(jié)點應(yīng)力作為時間載荷歷程;再將其與載荷倍數(shù)相關(guān)聯(lián)，完成疲勞載荷譜的設(shè)計[2].但是，實際疲勞載荷譜獲取比較困難，根據(jù)牽引拉桿在使用過程中實際情況分析，交變循環(huán)的牽引力和制動力將采用簡化的正弦載荷譜.疲勞載荷譜如圖4所示.

圖4 疲勞載荷譜曲線

本例采用車輛行駛的里程數(shù)來進行疲勞壽命分析.經(jīng)過調(diào)研，軌道上行駛的車輛，平均每公里完成一次“牽引-制動-牽引”的循環(huán).頻繁的牽引與制動引發(fā)牽引拉桿產(chǎn)生疲勞，當疲勞累計到一定程度后便會發(fā)生疲勞破壞[6].根據(jù)疲勞累積損傷理論，利用FE-SAFE軟件很容易完成對牽引拉桿的疲勞壽命分析.

在ANSYS/FE-SAFE中，牽引拉桿的疲勞壽命如圖5所示，其疲勞壽命公式為[8]

(1)

式中,Sx為對數(shù)結(jié)果；N為疲勞壽命.

圖5 牽引拉桿對數(shù)壽命圖

根據(jù)式(1)計算得到牽引拉桿的疲勞壽命N=106.685 6=4 848 417 km，大于牽引拉桿的設(shè)計壽命300萬km.從圖5看出桿頭和桿身相連接的部位是疲勞破壞位置，即是最小安全系數(shù)出現(xiàn)的位置.通過與圖3所示的靜強度分析云圖比較發(fā)現(xiàn)，發(fā)生疲勞破壞的部位也是應(yīng)力比較集中的部位，可以驗證疲勞壽命計算的準確性.

牽引拉桿疲勞安全系數(shù)是考慮計算載荷及應(yīng)力準確性、材料的可靠性等因素影響牽引拉桿強度的強度裕度[9- 10].其值大于等于1時，滿足牽引拉桿強度的設(shè)計要求，牽引拉桿可以安全可靠的工作；其值小于1時，不滿足強度設(shè)計要求.

從圖6可看出牽引拉桿最小安全系數(shù)為1.109 4，雖然滿足了疲勞強度設(shè)計的基本要求，但是余量不足，可能在該處發(fā)生疲勞破壞[11- 12].所以當車輛行駛一定歷程數(shù)后，對該處進行必要的檢驗[13].

圖6 牽引拉桿疲勞安全系數(shù)圖

2.2 疲勞可靠性分析

新接班不久就遇到了一個很特殊的學生—小睿。說他特殊一點也不過分：用板凳打同學；拿尖尖的鉛筆扎同學的腦袋；咬人；往別人脖子領(lǐng)子里塞沙子；解小便常常排在別人身上……“斑斑劣跡”使小睿在班里沒有一個朋友，更得不到同學們的喜歡。而最讓人頭疼的是小睿偷偷拿別人的東西，他這種行為已經(jīng)引起了公憤。

由于牽引拉桿材料的特性、設(shè)計尺寸偏差和所承受的載荷都具有隨機不確定性[4].使得相同的牽引拉桿會呈現(xiàn)一定的隨機性.在考慮這些隨機因素的基礎(chǔ)上，基于應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線.利用ANSYS/FE-SAFE軟件中的Probability模塊進行牽引拉桿的疲勞可靠性分析.采用不同可靠度P下的一簇S-N曲線，求得任意可靠度時一定應(yīng)力水平下的牽引拉桿疲勞壽命.

疲勞可靠性計算常用的應(yīng)力-壽命模型有Basquin、Langer和三參數(shù)模型[14].通常情況下，三參數(shù)模型的擬合效果較好，該模型可表示為：

(2)

式中,S為加載應(yīng)力；N為疲勞壽命；S0、m和C為材料常數(shù).

經(jīng)過大量試驗驗證表明，試件在不同應(yīng)力水平下的失效循環(huán)次數(shù)N的分布曲線服從威布爾分布；外部應(yīng)力載荷服從高斯分布或正態(tài)分布；材料參數(shù)服從威布爾分布[15].FE-SAFE軟件具有強大的疲勞可靠性計算功能，通過對各分布參數(shù)的設(shè)定，可以計算出典型工況下牽引拉桿的中位壽命和任意可靠度下的疲勞壽命.

(1)中位壽命

所謂中位壽命[11]是指可靠度為50%時的壽命，是利用中值S-N曲線來進行疲勞分析時所得到的疲勞壽命.基于FE-SAFE分析的牽引拉桿的中位壽命為4 848 417 km.

(2)可靠度為99%下的壽命

圖7 可靠度為99%時的壽命圖

3 結(jié)論

本文采用專用疲勞分析軟件FE-SAFE完成對某型號動車組車輛牽引拉桿的疲勞可靠性分析.

(1)在分析牽引拉桿受到典型工況(牽引或制動)的基礎(chǔ)上，提出了采用應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線，基于正弦載荷激勵，按照累計損傷理論和雨流計數(shù)法計算其疲勞壽命.基于FE-SAFE中Probability模塊對牽引拉桿進行疲勞可靠性分析，并得到牽引拉桿在可靠度為99%下的使用壽命；

(2)在FE-SAFE中完成疲勞循環(huán)次數(shù)到運行里程數(shù)的轉(zhuǎn)化，提出使用運行里程數(shù)來完成對牽引拉桿疲勞壽命分析；

(3)綜合牽引拉桿靜強度分析和疲勞可靠性分析的結(jié)果可以得出，牽引拉桿發(fā)生疲勞破壞的部位是靜強度分析時應(yīng)力較大的部位，這不僅可以預見計算的準確性，也對消除應(yīng)力集中，減小疲勞損傷、延長疲勞壽命提供了科學依據(jù)；

(4)基于應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線，利用FE-SAFE軟件中的可靠性設(shè)計模塊，計算出牽引拉桿在可靠度為99%時的使用壽命為3 162 277萬km，確保了牽引拉桿使用可靠，車輛運行安全.

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Fatigue Reliability Analysis of Traction Rod based on FE-SAFE Software

HU Mingguang,LI Yonghua,WANG Jian,QIN Qiang

(School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The static strength analysis is carried out on the traction rod,and its fatigue life is analyzed by using ANSYS/FE-SAFE software.According to stress and fatigue life model P-S-N curve and taking non-failure mileage as reliability evaluation index,the median life and 99% reliability life are calculated.The method will provide a scientific basis of safe and reliable operation of the vehicle.

traction rod;static strength;P-S-N curve;fatigue reliability

1673- 9590(2016)03- 0032- 04

2015- 09- 13

遼寧省自然科學基金資助項目(2014028020)；遼寧省教育廳高等學校科學研究計劃資助項目(L2013182)；中國鐵路總公司科技研究發(fā)展計劃資助項目(2014J004-O)

胡明廣(1990-)，男，碩士研究生;李永華(1971-)，女，教授，博士，主要從事可靠性工程，機車車輛RAMS，穩(wěn)健優(yōu)化方面的研究E-mail:yonghuali@163.com.

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