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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流曲线对高速货车转向架焊接部件疲劳损伤的影响.精品文档.曲线对高速货车转向架焊接部件疲劳损伤的影响试验研究铁道车辆第48卷第1期2010年1月文章编号:10027602(2010)01000505曲线对高速货车转向架焊接部件疲劳损伤的影响周张义,李芾,安琪,潘树平,李志强,尹买云.(1.西南交通大学机车车辆工程系,四川成都610031;2.南车眉山车辆有限公司,四川眉山620032)摘要:依据UIC51O3:1994规定的疲劳试验加载方法,基于有限元法研究了不同左右曲线变换次数取值时高速货车转向架焊接构架及摇枕疲劳关注部位累积损伤的变化程度及规
2、律.仿真结果及综合分析表明,当左右曲线变换次数取值变化并不十分显着时,其对结构疲劳损伤影响很小,样机疲劳试验中可直接应用UIC规范中的建议值.关键词:高速货车转向架;焊接构架;曲线;左右曲线变换次数;疲劳损伤;有限元法中图分类号:U270.12文献标识码:A焊接构架和摇枕作为高速货车转向架最为关键的承载和传力部件之一,其疲劳强度直接决定高速车辆在使用寿命期限内的运行可靠性,故在设计阶段需对其进行完善的强度分析及试验考核l_】.按照国际铁路联盟UIC5103:1994(货车二轴和三轴货车转向架在试验台上的试验对焊接构架和摇枕进行疲劳强度验证时,在考核其主结构强度的动态疲劳试验中,模拟一次左或右曲
3、线准静态加载范围内的动载循环数一般建议取20,即在第1阶段疲劳试验中共进行1.510次左右曲线变换.参考UIC5154:1993客车车辆拖车转向架走行部转向架构架结构强度试验及UIC6154:2003<<动力车转向架与走行部转向架构架结构强度试验的相应规定.,如果车辆运用于曲线比较多的线路,则上述动载循环数应减少到10次;如果曲线数量特别多,动载循环数还要进一步减少.本文应用结构有限元法,按照UIC51O一3:1994规定的疲劳试验加载方法和国际焊接学会(IIW)提供的焊接接头疲劳强度SN曲线89_,应用PalmgrenMiner线性累积损伤准则,对高速货车转向架焊接构架和摇枕主结
4、构危险焊缝接头进行疲劳损伤仿真分析.通过改变左右曲线变换次数的取值,计算和比较各对应动载荷作用下疲劳关注部位的损伤变化,进而确定该次数变化对损伤分析结果的影响程度和影响规律,为样机疲劳试验验证及结构优化疲劳设计分析中其合理取值提供必要的理论依据.收稿日期:20090522;修订日期:20090928基金项目:国家科技支撑计划项目(2007BAG05B00);国家自然科学基金资助项目(50821063)作者简介:周张义(1982),男,博士研究生.1有限元模型及分析部位的确定1.1有限元模型应用ANSYS软件建立焊接构架和摇枕的有限元联合分析模型.由于除部分连接座为铸造件外,构架和摇枕主结构均为
5、钢板整体焊接三维空间结构,故采用8节点二阶高精度壳单元Shell93对其进行网格离散.构架和摇枕通过模拟二系橡胶堆的线弹簧单元Combin14连接,横向止挡橡胶堆和一系金属液体复合弹簧亦使用Combinl4线弹簧单元模拟.同时,为最大程度地真实反映通过弹性元件传递的载荷分布情况,对与弹性元件接触的构架或摇枕结构区域的所有节点均建立弹簧单元.完整的有限元离散模型如图1所示,由36615个Shell93壳单元和13100个Combin14线弹簧单元组成,共107981个节点.图1焊接构架及摇枕的有限元分析模型1.2疲劳分析部位焊接构架和摇枕的疲劳试验中仅施加垂向,横向及线路扭曲载荷,旨在考核其主结
6、构的疲劳强度,包括5?铁道车辆第48卷第1期2010年1月构架侧梁及摇枕箱形梁的纵向焊缝接头,梁内各筋板横向焊缝接头及横向止挡座与主结构的连接焊缝接头等.图2和图3分别为本次计算选取的摇枕和构架侧梁上较危险的焊缝接头分析部位,主要是箱形梁中部及各变截面处受拉侧的纵向焊缝接头和梁内各筋板的横向焊缝接头.F刀,ffFll06,.z=I1IIIYY6图2摇枕疲劳分析部位及载荷加载示意图2试验动载荷及等效载荷谱确定图3构架侧梁疲劳分析部位2.1试验动载荷按照UIC51O一3:1994,疲劳试验中施加在摇枕上的垂向及横向动载荷分别按以下各式确定:F.一(1+kf1)(1一ka)F1Fi一(1一kf1)(
7、1一ka)F:JFlmax=Fzzmax=(1+kf1)kaFzIf9,F1一F2i一(1一kf1)kaFJFypa一o.2k(F+g)1Fyi一0J式中:F印m,min分别为作用在心盘上的垂向动载荷最大值和最小值;F,Fi,F砣,F.分别为作用在右旁承及左旁承上的垂向动载荷最大值和最小值;F一,Fypmin分别为作用在心盘上的横向动载荷最大值和最小值;a侧滚动载系数,标准建议值为0.2237;浮沉动载系数,标准建议值为O.3;忌试验阶段载荷系数,在3个阶段疲劳试验中的取值依次为1.0,1.2及1.4;转向架自重,取值为5.5t;g重力加速度,取值为9.8m/s.;F作用在心盘上的垂向静载荷,
8、F2一(4)g,其中Q0为满载状态下每车轮作用到钢轨上的垂向静载荷,按满轴重计算取值为9t.分析表明,摇枕结构完全不受线路扭曲载荷作用的影响.对于构架结构,一方面由于其自身的扭转刚度较低,扭曲载荷作用导致的结构应力水平很小,如7线路扭曲载荷(第3阶段疲劳试验的施加值)作用下构架的最大主应力仅约为13MPa,且大应力部位主要分布在侧梁,制动吊座及横向减振器座与圆管横梁间的连接区域,构架侧梁主结构的应力水平则较小;另一方面,在试验动载荷中考虑扭曲载荷作用时仅主要改变动应力循环的平均应力水平,对其应力范围影响很小,而受拉焊接结构件的疲劳强度根本上取决于外载应力范围,与平均应力基本无关,故扭曲载荷作用
9、的疲劳损伤影响有限,如考虑其作用时构架侧梁各分析部位的最大损伤增幅仅约为12(发生在部位G5).因此,本次仿真计算中的试验动载荷未考曲线对高速货车转向架焊接部件疲劳损伤的影响周张义,李芾,安琪,等虑扭曲载荷作用.图4所示为模拟一次左或右曲线准静态加载范围内各动载荷的相位关系,其中模拟一次左或右曲线载耀.锚F荷范围内的动载循环数为2O.按UIC5103:1994的规定,第1阶段疲劳试验重复以上准静态加载过程(3x10.)/-次,第2和第3阶段在载荷增大基础rid=20rid=20芒;一一一一一一苎牺;,7叼l.A5,VV时间图4模拟一次左或右曲线通过的准静态加载时间历程表1试验动载荷的等效载荷谱
10、上均重复(110)/次,整个疲劳试验的动载循环数共为1X10次.2.2等效载荷谱通过雨流计数分析,可将3个阶段疲劳试验的载荷时间历程等效转换为9级载荷谱(表1),从而应用于后续仿真计算分析之中.在有限元模型中,摇枕上的垂向载荷分别施加在心盘和旁承座的承载面上,横向载荷分别施加在心盘挡边及其横向止挡座上;构架垂向载荷由二系弹簧单元传递,摇枕横向止挡传递的横向载荷直接施加在构架横向止挡上,其余横向载荷由二系弹簧单元传递,在构架一系弹簧单元处施加全约束位移边界.构架与摇枕问传递的横向载荷在二系弹簧单元和止挡座上的分配关系由二者实际橡胶堆的变形协调方程求出.3疲劳损伤计算方法3.1累积损伤计算疲劳分析
11、部位的累积损伤依据工程上广泛采用的PalmgrenMiner线性准则进行计算:9D=(4)1式中:D累积损伤度;第i级载荷的加载频次;?7?铁道车辆第48卷第1期2010年1月N第i级载荷作用计算得到的应力范围在疲劳强度SN曲线上对应的耐久循环次数.3.2疲劳强度S-N曲线参考IIW焊接结构疲劳设计规范,依据焊缝接头形式,承载模式及制造工艺等因素,分别选取各分析部位累积损伤计算使用的疲劳强度SN曲线.这些曲线具有至少约95的存活率(表2).IIW给出的焊接接头SN曲线指出了在21O次应力循环下特定的疲劳强度,并将其定为疲劳级别FAT.如FAT100曲线表示其在210.次应力循环下以应力范围表征
12、的疲劳强度为100MPa.表2各分析部位的疲劳强度-jv曲线以上各SN曲线均按式(5)确定,其中110次应力循环对应的疲劳强度为常幅疲劳极限:N一c1/N0(5)lC2/Aa.一(N>110)式中:m斜率参数,所有SN曲线均为3.0;C,C2分别为拐点前后SN曲线的常数参量,见表3.表3各疲劳强度5-jv曲线的常数参量c和c2取值在所有分析部位的累积损伤计算中,无论载荷谱中最大应力是否大于对应疲劳强度S一,曲线的常幅疲劳极限,所有应力级别均参与损伤计算.这主要是8?口秘氍曝0考虑车辆在实际运用中不可避免地会承受作用次数相对较少的高值载荷,如周期性货物装卸导致的较大载荷循环等.这些载荷作用
13、下的加载应力常可超过常幅疲劳极限,从而导致低应力循环亦具有疲劳破坏性,故需对其进行损伤计算.4仿真计算及结果分析按上述载荷确定,应力分析及损伤计算方法,在分别取5,10,16,20及25,相应于第l阶段疲劳试验分别模拟左右曲线变换次数为6x10,310,1.87510,1.510及1.21O时,对各分析部位的疲劳累积损伤进行仿真计算.图5为摇枕及构架上各部位在不同蝴取值时的累积损伤计算结果.表4和表5分别列出了在建议值20附近变化时摇枕和构架上各分析部位累积损伤的增减幅百分比.口越骣睇5l0l52025305动载循环数(a)果积损伤较小部位lO15202530动载循环数nd(b)累积损伤较大部
14、位图5不同粕取值时各分析部位的累积损伤计算结果蚰柏nm42O8642D呲吣嘶哪曲线对高速货车转向架焊接部件疲劳损伤的影响周张叉,李芾,安琪,等表5粕值改变时构架各分析部位的损伤增减幅百分比从以上计算结果可以看出,随着n取值的降低,相应确定的试验动载荷模拟左或右曲线通过的次数增多,等效载荷谱中反映左右曲线变换加载过程的大载荷循环(第2,5,8级载荷)的加载频次随之增大,所以各分析部位的累积损伤也将随之增大;反之,随着a取值的增大,各分析部位的累积损伤将随之减小.由于大载荷循环加载频次较动载循环数少得多,其导致的损伤量在总损伤中并不占主导(分别见表6和表7),故其加载频次的较小改变对总损伤的影响有
15、限,较大损伤变化仅在改变十分显着时发生(如=5时).此外,从表4和表6及表5和表7所列数据的比较中可以看出,大载荷循环损伤量占总损伤百分比越大的分析部位,改变导致其损伤变化的百分比亦越大.表6n=20时摇枕各分析部位大载荷循环损伤量占总损伤的百分比塑堡!兰!兰亘坌些:!:!:!:!:!:!:!:!:!:表7n=20时构架各分析部位大载荷循环损伤量占总损伤的百分比堡堡竺!亘坌些!:!:!:!:!:!:!:5结论U1C系列强度试验规范中规定,左右曲线变换次数是确定高速货车转向架焊接构架及摇枕疲劳试验动载荷的主要参数,其取值根据车辆运用线路中曲线的多少来决定.考虑到高速货车不可能在曲线特别多的线路上
16、运营,且计算仿真分析表明在左右曲线变换次数变化并不十分显着时,其对转向架焊接部件各疲劳关注部位的损伤影响很小.因此,在对焊接构架及摇枕进行理论疲劳强度分析及样机疲劳试验考核时,可直接应用UIC51O一3:1994中建议的左右曲线变换次数,即在一次左或右曲线准静态加载范围内动载循环数取20.参考文献:Eli李芾,傅茂海.我国高速货车转向架发展模式EJ.中国铁路,2001,(5):1215.2傅茂海,李芾,于明,等.160km/h高速货车转向架方案及其动力学性能分析J.铁道车辆,2003,41(11):16.3LeluanA.Fatiguetestmethodanddamagemodelsused
17、bytheSNCFforrailwayvehiclestructuresA.AutomationinFatigueandFracture:TestingandAnalysis,ASTMSTP1231c.Philadelphia:ASTMPress,1994:405418.43MarquisG,DahleT,SolinJ.ServiceloadfatiguetestngofrailwaybogiecomponentsA.FatigueandFractureMechanics,ASTMSTP1321C.Philadelphia:ASTMPress,1997:342354.5UIC51O3:1994
18、,WagonsStrengthtestingof2and3-axelbogiesontestrigES.6UIC5154:1993,Passengerrollingstock-TrailerbogiesRunninggearBogieframestructurestrengthtestsES.7UIC6154;2003,MotivepowerunitsBogiesandrunninggear-BogieframestructurestrengthtestsS.8HobbacherA.FatiguedesignofweldedjointsandcomponentsM.Cambridge:AbingtonPublishing,1996.9HobbacherA.ThenewIIWfatiguedesignrecommendationsnewlyrevisedandexpandedJ.WeldingintheWorld,2007,51(1):243254.(编辑:李萍)9?