沖擊載荷下車架結構瞬態(tài)響應分析

師學斌 孫亞偉

(北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029)

1 前言

沖擊載荷是各種機械機構日常運行時都很難避免的動力載荷，制造精度、安裝誤差、運行磨損等原因都會導致其發(fā)生。沖擊載荷往往持續(xù)時間很短，一般由單個或幾個脈沖構成，且該激勵的幅值往往都大于設備正常所受的載荷。對于很多結構，沖擊載荷的影響無法忽視，在設計時都需要著重考慮，例如各種車輛、飛行器、機械臂等。這些結構的性能受沖擊載荷影響很大。

常見的沖擊載荷根據(jù)其振型的不同可分為正弦波型、階梯型和三角形。其作用的階段也可分為兩部分，即沖擊載荷正在發(fā)生的時間內，機械結構將會受到?jīng)_擊的影響做某種形式的受迫振動；當沖擊結束后，沖擊的殘余能量還會導致結構繼續(xù)振動，而這后續(xù)的振動與一階段的受迫振動有一定的相關性。阻尼的本質就是能量消耗，當沖擊的時間很短時，其對于結構的振動影響不大，但若沖擊維持時間足夠長時，阻尼的影響就不可忽視。這個時間的長短一般根據(jù)結構的固有頻率p來判斷，當沖擊的持續(xù)時間大于1/p，即超過結構的固有振動周期時，阻尼的影響就不可以忽略[1]。

車架結構在工業(yè)生產和日常生活中廣泛運用，它的穩(wěn)定性、舒適性、安全性都要受到?jīng)_擊載荷的影響。分析車架在沖擊載荷下的瞬態(tài)響應并進行結構優(yōu)化是一項很有價值的工作。不同的車架結構對于穩(wěn)定性、舒適性、安全性等指標的要求側重方向不同，優(yōu)化時需要考慮的因素就會有所區(qū)別。還存在優(yōu)化目標的各個參數(shù)之間相互影響相互制約的情形，這種多目標優(yōu)化的問題就會變得十分復雜。

本文將針對某種高速有軌車輛的車架結構進行分析。該車架運行環(huán)境復雜，日常運行時會受到頻繁的交變載荷影響，且行業(yè)對于安全性要求很高，車架結構需要有較高的安全系數(shù)，還需要進行疲勞強度計算。因此研究車架在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應以及殘余振動十分有價值。

2 車架結構及其受力分析

車輛的運行受軌道控制，軌道是由一段段鋼管拼接而成的，接口處受工藝影響不能保證絕對順滑，且軌道在與支撐軌枕焊接時也會產生焊接變形，進而影響軌道的平滑度。運行過程中車輛除了承受隨軌跡曲率變化而產生過載力外，還會受到軌跡不平順而產生的沖擊載荷。

圖1 車架模型圖1-主梁;2-牽引支架;3，4，5，6，7-承力支架;8-立軸孔;9-翼版;10、中間連接器孔

如圖1所示，主梁1是車架的主承力件；牽引支架2用來安裝牽引鉤逆止爪，并傳遞牽引力；3、4、5、6、7是承力支架，用來安裝車廂和壓臂鎖緊機構，這些零部件和乘客所產生的力也是通過這些支架作用在主梁上；立軸孔8是用來安裝立軸并與輪系裝配；翼版9則是為了加固各個支架；中間連接器孔10則是用來安裝中間連接器并與其他車體相連。

當車輛運行時，車體帶著乘客隨軌跡變化不斷增速或減速，車廂和乘客的受力會通過車架上的面板傳遞到整個車身。

3 沖擊載荷下車架的瞬態(tài)響應分析

瞬態(tài)響應分析的目的是計算車架在隨時間變化的激勵作用下的應力應變變化等，瞬態(tài)激勵定義在時間域中，每個瞬時的大小已知，激勵可以是作用力和強迫運動。

瞬態(tài)響應分析獲得的結果一般是節(jié)點上的位移、速度、加速度和單元(應)力。其有限元通用方程為：

(1)

結構瞬態(tài)分析結果的精度跟求解過程中積分時間步長相關性很大，但若積分時間步長取值過小，由于車架模型較復雜，整個求解過程會比較長，綜合考慮后，積分時間步長確定為Δt=0.02s，這樣既保證了求解精度也滿足求解效率。

在所有與沖擊和形變相關的研究中，阻尼的作用都是不能忽略的，阻尼直接影響結構在振動變形的過程中對能量的損耗，也對后續(xù)的形變有著直接的影響，Workbench求解器中帶有Damping controls，在設定好材料后，阻尼系數(shù)可以選用Program controlled。

為更好的進行結構優(yōu)化設計，首先需對車架進行受力分析，通過ADAMS動力學仿真計算可得車輛運行過程中的加速度曲線圖(圖2)。由圖2可知，車輛正法向最大加速為42311mm/s2，此時車架也承受最大的法向力。假定此時軌道有不順滑點，列車受到了2倍的沖擊載荷，沖擊時間為0.2s，將沖擊載荷簡化為正弦函數(shù)波，初始載荷為42311mm/s2，在0.1s時達到最大沖擊，即84622mm/s2，然后再回落到初值。作用在車架上的質量(車廂、壓臂支架和乘客)為700kg，將這些質量以遠端質量的方式加載在車架的上端面上。

得到車架受力值后，利用ANSYS Workbench平臺建立Transient Structural模塊，隨后將車架三維模型導入，劃分網(wǎng)格，根據(jù)過山車的實際結構設置車架的約束條件，加載加速度，同時將車廂、乘客和壓臂鎖緊機構的質量轉化為遠端質量塊，然后根據(jù)相應的裝配關系分別施加在圖1的3、4、6和5、7承力支架上。

仿真軟件計算得到的車架應力云圖如圖4所示。由圖4可知，車架應力分布主要集中在車頭、車位、承力支架以及主梁的中上位置，兩側翼板以及主梁中部兩側位置則應力很小。隨時間的變化，車架所受應力不斷變化，但分布趨勢趨于一致。由前文可知，0.02s與0.18s、0.06s與0.14s時，車架所受的激勵相同，在圖3上發(fā)現(xiàn)，車架在所受激勵減小時，應力減小并不同步，而是出現(xiàn)一個延后的現(xiàn)象，此現(xiàn)象應該與車架的阻尼有關。這一現(xiàn)象對于分析車架疲勞是有很大影響的，因為疲勞分析中，等效應力幅是一個重要指標。

圖2 列車加速度曲線圖

0.02s車架應力云圖

0.06s車架應力云圖

0.1s車架應力云圖

0.14s車架應力云圖

從圖3分析可知，車架應力主要集中在車頭和車尾，這是因為車頭和車尾是仿真計算中的兩個約束位置，且該部位形狀不規(guī)則，有效截面變化率高，車架在加速度的作用下，這種位置易出現(xiàn)應力集中。在車輛運行過程中，隨著外界激勵的變化，該位置的應力值變化幅值也最大，屬于疲勞破壞的危險區(qū)。因此在設計車架時綜合考慮車架的裝配和受力情況，多采用大圓角或加強板的方式減小應力集中或增強薄弱位置。

車架在沖擊結束后，受到?jīng)_擊剩余能量的影響，還會進行殘余振動。振動的持續(xù)時間和衰減趨勢受到結構阻尼的影響[2]。在振動中，因為結構材料內部的摩擦阻力以及各個部件之間的摩擦力影響，振動的能量通過不斷轉化為其他能量(通常為熱能)的方式逐漸減少，振動也會隨之衰減，這種阻力的作用就成為阻尼作用。阻尼的大小就代表了振動系統(tǒng)工作時能量損耗的能力。

對于車架而言，除了要保證它不受塑性破壞影響之外，還要防止其因為長期的振動產生疲勞破壞。在現(xiàn)有的疲勞壽命計算中，結構件所受的交變載荷變化次數(shù)和幅值都是關鍵性數(shù)據(jù)，而沖擊載荷的殘余振動對這兩個參數(shù)都有很大的影響[3]。因此，為了保證車架的安全，盡量消除沖擊載荷的殘余振動是很重要的一個措施。

抑制車架的振動主要有三個方向，即振動源、傳播途徑和對象。針對振動源主要考慮通過優(yōu)化工藝的方式增加軌道的平順度，減少或降低沖擊載荷的次數(shù)和大小；針對傳播途徑則有主動控制和被動控制兩種方式，被動控制是通過在振動源和對象間增加緩沖材料隔振彈簧等方式，減小振動源對于車架的影響，主動方式則是在軌道和車架連接的部件上增加一個主動振動系統(tǒng)，通過調節(jié)該振動系統(tǒng)的震動頻率，使之與沖擊載荷達到某種共振，使沖擊能量主要傳遞到該振動系統(tǒng)中，降低其對主結構的影響，這種控制振動的方式適用范圍很窄，但在特定的環(huán)境中有非常出色的效果；針對對象的措施則是在主結構中增加阻尼器，通過加快沖擊能量消耗的方式減小殘余振動對于車架的影響。

4 結論

(1)采用有限元仿真的方式分析了車架在沖擊載荷下的瞬態(tài)響應，發(fā)現(xiàn)了車架應力隨激勵變化時出現(xiàn)的延后下降的現(xiàn)象，此種現(xiàn)象對于車架疲勞計算有很大的影響，在后續(xù)的研究中可以著重研究阻尼與延遲響應的相關性。

(2)分析車架的應力云圖提出了車架優(yōu)化的思路，通過結構優(yōu)化減小應力集中，從而降低結構產生塑性破壞的風險。

(3)通過對于沖擊載荷殘余振動的分析，總結了幾種降低殘余振動對車架安全性影響的方案。