地鐵車輛端部底架疲勞壽命研究

陳逸斐

地鐵車輛端部底架疲勞壽命研究

陳逸斐

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點試驗室，四川 成都 610031）

為了考核某地鐵車輛車體的疲勞強度，考慮到現(xiàn)有標準僅提供整車疲勞強度試驗標準方案而整車試驗周期長耗資大，故而需要通過端部底架的疲勞強度對整車強度形成驗證。對某地鐵車輛車體建立有限元模型并根據(jù)VDV－152:2016建議與BS EN 1999－1－3:2007+A1:2011標準對整車方案進行了疲勞強度虛擬試驗；根據(jù)端部底架實際受力狀態(tài)設(shè)計工裝并確定等效載荷與等效邊界條件，對端部底架方案進行了疲勞強度虛擬試驗。研究結(jié)果表明：端部底架方案損傷最大的三個位置與整車方案一致，且略大于整車，能夠通過對端部底架疲勞強度的研究對整車形成驗證。最后設(shè)計了端部底架的疲勞強度臺架試驗方案。

地鐵車輛；端部底架；有限元；疲勞壽命

隨著城市軌道交通的發(fā)展與鋁合金制造技術(shù)的成熟，城軌車輛車體開始朝著高速化、輕量化發(fā)展，車體的輕量化使得其疲勞強度問題更為值得關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者對車體疲勞壽命已經(jīng)進行了一系列研究?？姳s[1]采用MBS與FE結(jié)合的方法對車體結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命的仿真，通過馬爾科夫鏈隨機過程理論結(jié)合MAFO技術(shù)對車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命進行了預(yù)測，為今后臺架試驗提供了理論指導(dǎo)。張醒[2]通過MBS方法和FE方法，使用模態(tài)疊加法對高速列車車體母材和焊接接頭分別基于名義應(yīng)力法和結(jié)構(gòu)應(yīng)力法進行了振動疲勞壽命預(yù)測。劉坤[3]根據(jù)EN12663標準對CRH3動車組頭車車體確定工況，采用基于名義應(yīng)力法的IIW標準對其進行了疲勞強度仿真。王新宇[4]通過編寫ABAQUS用戶子程序UMAT并結(jié)合漸進損傷分析方法的方式確定碳纖維復(fù)合材料的疲勞分析方法并對其進行了疲勞強度分析，通過實驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比確定了仿真結(jié)果可信性，并對碳纖維復(fù)合材料枕梁進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。于躍斌[5]對全尺寸貨車車體疲勞試驗方法進行研究，建立了車體疲勞試驗的完整程序，提出了試驗過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題并加以解決，以C70E敞車為例將臺架試驗數(shù)據(jù)與線路實測數(shù)據(jù)對比確定了試驗方法的合理性。以上幾位學(xué)者的研究對象主要為車體整體，而以下幾位學(xué)者對于車體局部結(jié)構(gòu)的疲勞強度進行了相應(yīng)的研究。

宋燁[6]根據(jù)大量仿真分析與實際工程經(jīng)驗提出了高速動車組車體局部樣機的等效載荷與邊界條件處理方法，為開展動車組車體局部疲勞試驗提供了更合理的方案。彭雨洋[7]采用MSB和FE結(jié)合的方法，根據(jù)應(yīng)力水平一致性原則提出了一種高速動車組牽枕緩局部的等效載荷與邊界條件處理方法，為牽枕緩局部的疲勞強度設(shè)計提供了一定指導(dǎo)。胡杰鑫[8]等人對某地鐵車輛枕梁服役安全性問題進行了研究，根據(jù)EN12663標準設(shè)計靜力學(xué)試驗驗證有限元模型可靠性，之后對枕梁在橫幅與變幅載荷下的疲勞強度進行了虛擬試驗確認了該型枕梁無論在橫幅與變幅條件下均符合設(shè)計與使用的要求。王杰[9]通過MBS和FE相結(jié)合的方法，采用標準軌道譜獲得某車體疲勞評估部位應(yīng)力時間歷程并編制載荷譜，結(jié)合關(guān)注部位的材料S－N曲線對某車體底架的疲勞壽命進行了預(yù)測。

查閱現(xiàn)有標準與現(xiàn)有文獻發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有標準標準、規(guī)范與建議均只提供了整車方案下的疲勞強度試驗標準方案，現(xiàn)有文獻在對于地鐵車輛端部底架的疲勞強度試驗方案上也存在一定的空缺?？紤]到整車試驗周期長耗資大的實際工程問題，需要對某地鐵車輛端部底架設(shè)計合理的試驗方案，使得能夠通過對端部底架疲勞強度的研究對整車疲勞強度形成驗證。

地鐵車輛承受載荷復(fù)雜，車體作為主要承載部位又是大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，由于焊接接頭疲勞強度與母材具有數(shù)量級差異，現(xiàn)有標準均以焊接接頭強度考核作為結(jié)構(gòu)整體強度的考核標準，本文的主要研究對象也是端部底架枕內(nèi)加強筋區(qū)域附近的焊接接頭部分。本文對某地鐵車輛車體進行有限元建模，根據(jù)VDV－152: 2016建議進行整車方案下的疲勞強度虛擬試驗；設(shè)計合理工裝連接被試底架與輔助試驗底架，根據(jù)端部底架實際受力狀態(tài)并參考VDV－152:2016建議確定其等效載荷與等效邊界條件，對端部底架方案進行疲勞強度虛擬試驗。試驗結(jié)果表明：端部底架局部慣性加載損傷最大的三個位置與整車方案下一致且損傷量均略大于整車方案，能夠通過端部底架的疲勞強度試驗對整車疲勞強度進行驗證。最后本文設(shè)計了端部底架局部慣性加載的臺架試驗方案。

1 整車疲勞強度虛擬試驗

1.1 整車虛擬試驗方案確定

參考某地鐵車輛三維模型、車體總體技術(shù)參數(shù)與車體材料技術(shù)參數(shù)建立車體有限元模型。根據(jù)VDV－152:2016建議對整車方案的模擬運營工況進行確定。整車方案的模擬運營工況示意圖如圖1所示。

圖1 整車方案模擬運營工況

整車方案模擬運營工況下，中心銷縱向力F-traction按照±0.15施加為24.94 kN施加于一端位中心銷處，車鉤縱向力F-coupler按照根據(jù)4M2T編組1 m/s2啟動加速度牽引不同步時產(chǎn)生的車鉤力動態(tài)幅值進行施加為16.96 kN施加于一端位車鉤安裝座處，整車縱向約束施加于二端位車鉤安裝座處；參考轉(zhuǎn)向架相應(yīng)規(guī)范，確定整車橫向載荷為29.74 kN，考慮到空簧變位與橫向止擋變位分攤部分橫向載荷，查閱相關(guān)文獻確定空簧橫向力F-airspring為3.78 kN施加于各空簧安裝座處從而確定中心銷橫向力F-centerpin為22.18 kN施加于一、二端位中心銷處，整車橫向約束施加于一、二端位對應(yīng)于橫向力一側(cè)橫向止擋處；整車垂向載荷按照±0.15進行慣性加載，整車垂向約束施加于各空簧安裝位處。

根據(jù)EN1999－1－3:2007+A1:2011標準，將焊接接頭區(qū)域強度考核作為結(jié)構(gòu)整體強度考核標準。根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)合實際工程經(jīng)驗，端部底架枕內(nèi)加強筋附近焊接接頭區(qū)域為結(jié)構(gòu)疲勞控制部位，由于結(jié)構(gòu)存在對稱性，故建立一半焊接接頭單元，焊接接頭單元總體示意圖如圖2所示。

圖2 焊接接頭單元總體示意圖

根據(jù)EN1999－1－3:2007+A1:2011標準對各焊接接頭類型進行確定。其中：枕內(nèi)加強筋底板與枕梁上蓋板處焊接接頭為對接焊對應(yīng)編號為7.4.3；枕內(nèi)加強筋與枕內(nèi)加強筋底板、枕梁上蓋板、枕梁立板、枕梁下蓋板處焊接接頭為角焊編號為7.6；枕內(nèi)加強筋底板與地板下表面焊接接頭處為搭接焊編號為9.4與9.6，其中地板下表面單元為9.4號焊接接頭模擬焊趾枕內(nèi)加強筋底板單元為9.6號焊接接頭模擬焊喉。根據(jù)各焊接接頭對應(yīng)的編號，在標準中選取相應(yīng)的S－N曲線，并在N－Code中根據(jù)S－N曲線建立相應(yīng)的材料庫，各焊接接頭的S－N曲線如圖3所示。

圖3 各焊接接頭S－N曲線

根據(jù)所確定的模擬運營工況載荷與邊界條件，以0.15為單位對整車方案進行靜強度分析，采用準靜態(tài)法對整車方案進行疲勞強度虛擬試驗。試驗所用S－N曲線根據(jù)標準建立，試驗評估位置為整車端部底架枕內(nèi)加強筋附近區(qū)域焊接接頭，試驗應(yīng)力修正方式采用FKM修正，S－N曲線置信度取95%，損傷評估對象為單元損傷。

1.2 整車虛擬試驗結(jié)果

對整車方案進行恒幅載荷疲勞強度虛擬試驗，根據(jù)準靜態(tài)法獲得試驗結(jié)果，試驗結(jié)果表明：在標準載荷條件下，某地鐵車輛車體經(jīng)過1000萬次循環(huán)最大損傷位置如圖4和表1所示。

圖4 整車疲勞結(jié)果2端部底架疲勞強度虛擬試驗

表1 整車疲勞強度試驗結(jié)果

整車最大損傷位置為枕內(nèi)加強筋底板與地板下表面焊接接頭直角拐角處，最大損傷量為0.4558。

2 端部底架疲勞強度虛擬試驗

2.1 端部底架虛擬試驗方案確定

采用配置撓度的方法對端部底架垂向載荷進行等效，由于單底架慣性配重會造成傾覆，故設(shè)計相應(yīng)工裝將被試底架與輔助試驗底架連接進行配重。以整車對應(yīng)于中梁位置的地板面撓度為考核對象，從端墻出發(fā)間隔280 mm布置第一個測點，之后每間隔560 mm布置一個測點共獲得測點1～11記錄各測點撓度獲得整車撓度曲線。在被試底架與輔助試驗底架上以測點2至10的縱坐標為基準在垂直于邊梁方向上形成配重帶MASS1～MASS9，在中間工裝部分對稱軸處布置配重帶MASS10，端部底架配重方案如圖5所示。

根據(jù)控制變量法，以整車撓度曲線為基準對端部底架進行配重獲得垂向等效載荷。各配重方案如表2所示，各配重方案下端部底架撓度與整車撓度值如表3所示，各配重方案下端部底架撓度對比圖如圖6所示。

圖5 端部底架配重方案

表2 CASE1～CASE6配重方案

表3 CASE1～CASE6撓度表現(xiàn)

由于疲勞評估部位位于枕梁內(nèi)側(cè)即測點7～11區(qū)域，主要對測點7～11區(qū)域撓度進行擬合，通過擬合發(fā)現(xiàn)CASE6在測點8～11區(qū)域相較于整車撓度擬合最好故采用CASE6配重方案作為端部底架垂向等效載荷。根據(jù)端部底架的實際受力狀態(tài)并參考VDV－152:2016建議對端部底架其余等效載荷與邊界條件進行確定。端部底架疲勞強度虛擬試驗方案示意圖如圖7所示。

端部底架中心銷縱向力F-traction與車鉤縱向力F-coupler幅值與作用點與整車一致，端部底架縱向約束施加于二端位車鉤安裝座處；端部底架中心銷橫向力F-centerpin與空簧橫向力F-airspring與整車一致，橫向約束施加于一、二端位橫向止擋處；端部底架垂向等效載荷為CASE6配重，垂向約束施加于各空簧安裝位，在底架靠近端墻位置兩邊梁施加輔助垂向約束。

根據(jù)所確定的等效載荷與等效邊界條件，以0.15為單位對端部底架方案進行靜強度分析，采用準靜態(tài)法對端部底架方案進行疲勞強度虛擬試驗。試驗所用S－N曲線根據(jù)標準建立，試驗評估位置為被試端部底架枕內(nèi)加強筋附近區(qū)域所有焊接接頭，試驗應(yīng)力修正方式采用FKM修正，S－N曲線置信度取95%，損傷評估對象為單元損傷。

圖6 CASE1～CASE6及整車的撓度曲線

圖7 端部底架疲勞強度虛擬試驗方案示意圖

2.2 端部底架虛擬試驗結(jié)果

對端部底架方案進行橫幅載荷疲勞強度虛擬試驗，根據(jù)準靜態(tài)法獲得試驗結(jié)果，試驗結(jié)果表明：在標準載荷條件下，某地鐵車輛端部底架經(jīng)過1000萬次循環(huán)最大損傷位置如圖8和表4所示，端部底架最大損傷位置為枕內(nèi)加強筋底板與地板下表面焊接接頭直角拐角處損傷量為0.6212。將端部底架虛擬試驗結(jié)果與整車結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn)，端部底架方案損傷最大的三個位置與整車方案一致且損傷量均大于整車，能夠通過對端部底架疲勞強度進行分析而對整車疲勞強度進行驗證。端部底架疲勞強度虛擬試驗結(jié)果與整車對比如表5所示。

3 端部底架疲勞強度試驗設(shè)計

地鐵車輛端部底架疲勞強度試驗采用MTS液壓站、伺服激振控制器、50 t、25 t、10 t、5 t等級的液壓伺服作動器——即整套MTS液壓伺服系統(tǒng)進行加載，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用DH3821動靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。車鉤縱向力通過車鉤處液壓作動器加載；中心銷橫向力與縱向力通過六自由度平臺進行加載；垂向載荷通過配重進行慣性加載；試驗底架與輔助試驗底架通過中間工裝進行連接，試驗方案總圖如圖9所示。

車鉤縱向力通過車鉤縱向力加載工裝在一端位進行加載，工裝如圖10[10]所示；中心銷縱向力、橫向力通過安裝在六自由度平臺上的加載工裝進行施加，六自由度平臺具有6個液壓作動器，能夠?qū)崿F(xiàn)6個方向的加載，六自由度平臺如圖11[10]所示；端部底架垂向載荷通過安裝在六自由度平臺上的二系垂向加載工裝進行加載，二系垂向加載工裝如圖12[10]所示。

表4 端部底架疲勞壽命結(jié)果

表5 整車與端部底架疲勞結(jié)果對比

圖9 端部底架局部慣性加載試驗

端部底架縱向通過工裝在二端位車鉤安裝座處約束縱向自由度；端部底架橫向通過橫向止擋工裝約束橫向自由度，橫向止擋工裝如圖13[10]所示；端部底架垂向通過六自由度平臺進行約束，約束位置位于二系垂向加載工裝即各空簧安裝座處。

圖10 車鉤加載工裝[10]

試驗前，對端部底架試件進行PT探傷，確保試件沒有裂紋。端部底架疲勞試驗分三階段共計1000萬次，其中：第一階段為600萬次載荷循環(huán)，疲勞試驗動態(tài)載荷與2.1節(jié)確定載荷一致，車鉤縱向力與中心銷縱向力取相反相位加載；第二階段為200萬次載荷循環(huán)，動態(tài)載荷放大為一階段的1.2倍；第三階段為200萬次載荷循環(huán)，動態(tài)載荷放大為一階段的1.4倍。在試驗進行到600萬次、800萬次、1000萬次時，需進行PT探傷。

圖11 六自由度平臺[10]

圖12 二系垂向加載工裝[10]

圖13 橫向止擋工裝[10]

4 結(jié)論

（1）對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件例如地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)，由于試驗難度大、成本高、周期長的問題，不適合直接進行試驗，通過對端部底架這一車體最重要的承載結(jié)構(gòu)進行試驗進而對整車的疲勞試驗進行替代可以很好的解決這個問題。

（2）端部底架局部慣性加載方案與整車方案在損傷最大的三個位置上具有較好的一致性且損傷量上均略大于整車，因此能夠通過對端部底架進行疲勞強度試驗而驗證整車的疲勞強度。

（3）對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，虛擬試驗相較于實際存在明顯的優(yōu)勢，通過虛擬試驗不但試驗成本得到了降低、能一次性對大量位置進行分析而且能較為容易的獲得難以貼片位置的應(yīng)力值，節(jié)省大量試驗時間。

[1]繆炳榮. 基于多體動力學(xué)和有限元法的機車車體結(jié)構(gòu)疲勞仿真研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2007.

[2]張醒. 隨機載荷作用下的高速列車車體振動疲勞分析方法研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2018.

[3]劉坤. 鋁合金車體抗疲勞能力研究[D]. 大連：大連交通大學(xué)，2013.

[4]王新宇. 地鐵車輛碳纖維復(fù)合材料枕梁結(jié)構(gòu)強度研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2019.

[5]于躍斌. 鐵路貨車車體疲勞試驗方法及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2018.

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[7]彭雨洋. 高速列車車體及其底架局部疲勞強度研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2013.

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[10]鄔平波，劉潮濤. 成都10號線端部底架疲勞強度試驗報告[R].成都：西南交通大學(xué)，2019.

Study on the Fatigue Life of End-underframe for Metro Vehicles

CHEN Yifei

( State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China )

In order to study the fatigue strength of metro vehicle’s carbody, considering that the existing standards only provide the standard test scheme of the whole vehicle, which leads to high cost and long test cycle, it is necessary to verify the whole vehicle’s fatigue strength through the study of the end-underframe. In this paper, the FE model of a metro vehicle’s carbody and its end-underframe are established, and according to VDV－152:2016 standard and BS EN 1999－1－3:2007+A1:2011 standard, the virtual fatigue test of the whole vehicle scheme is carried out. Then, the jig is designed and the equivalent load and boundary conditions are determined according to the actual stress state of the end-underframe, and the virtual fatigue test of the end-underframe scheme is carried out. The results show that the 3 positions with the largest damage of the end-underframe is the same as that of the whole vehicle and the damage is slightly larger, which can be a good verification of whole vehicle’s fatigue strength. Finally, the fatigue test scheme of the end-underframe is designed.

metro vehicle；end-underframe；FEM；fatigue life

TH134

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.007

1006－0316 (2021) 01－0044－08

2020－06－02

高速列車牽引傳動系統(tǒng)耦合振動機理與主動減振技術(shù)研究（U1934202）

陳逸斐（1994－），男，浙江嘉善人，碩士研究生，主要研究方向為機車車輛結(jié)構(gòu)疲勞強度，E-mail：45328002@qq.com。