跨坐式單軌車輛車體結構疲勞壽命仿真

杜子學 潘麗雯

（重慶交通大學，400074，重慶∥第一作者，教授）

疲勞破壞是工程結構和機械失效的主要原因之一，引起疲勞失效的循環載荷的峰值往往遠遠小于根據靜態斷裂分析估算出來的“安全”載荷，因此對疲勞進行研究有著重要的意義。

跨坐式單軌車輛是城市軌道交通的一種新型式，我國首次在重慶引進跨坐式單軌車輛技術，并進行自制研發。到目前為止，跨坐式單軌交通已在重慶運營了6年的時間。跨坐式單軌車輛以輕便、舒適、噪聲小，及運營量大等諸多優點受到人們的青睞。但近來我國制造的單軌車輛后裙板骨架與底架連接處出現開裂現象，考慮到是疲勞損壞的原因，為此需要對該車體結構進行疲勞壽命分析。

本文對跨坐式單軌車輛的疲勞研究是利用與有限元分析相結合的方法，從時域的角度研究其疲勞壽命。分析的過程主要有以下幾步：

1）獲得車體材料S－N（拉伸極限－屈服極限）曲線，即獲得車體材料的疲勞特性；

2）建立車體結構的有限元模型，并進行車體結構豎向彎曲工況下的靜強度分析，得到其應力結果；

3）選擇合適的結構疲勞壽命預測方法，根據雨流計數法將實測應力－時間歷程通過分析和處理進行“編譜”，以獲取載荷譜；

4）找出車體結構危險區域，采用合適的損傷法則來預測車體結構疲勞壽命。

1 車體結構疲勞壽命計算模型的建立

跨坐式單軌車輛車體構件的疲勞壽命一般較高，在作疲勞試驗時構件斷裂前的循環次數Nf大于1×105～1×107次，屬于高周疲勞范圍。因此，根據材料的S－N曲線對其進行全壽命分析是一種較為合理的分析方法。該分析方法以材料或構件的應力為基礎，用雨流循環計數法和Palmgren－Miner線性累積損傷理論進行疲勞分析，可以選擇不同的平均應力修正方法。材料的S－N曲線也可以根據指定表面拋光和熱處理方法進行修正。這種方法對裂紋的產生和擴展不加以明確的區分，能夠預測到有較大的損傷或破壞為止的總壽命。

重慶單軌車輛的車體主要使用LC超硬鋁和5083鋁合金材料，按照相關理論，可以通過材料的極限拉伸強度和彈性模量來估計材料的S－N曲線。通過估計得到的LC超硬鋁和5083鋁合金的S－N曲線如圖1、圖2所示。

車體載荷加速度譜可以通過試驗實測，也可以通過多體動力學仿真得到。本文采用多體動力學仿真方法，例如在60km/h的速度下仿真計算，得到其車體中心銷處的豎向加速度時間歷程（如圖3所示）。該隨機載荷譜的加速度幅值為0.33m/s2，均值為0；主頻為1.5Hz。

建立疲勞計算模型時，首先將靜態應力分析結果導入疲勞分析軟件中，然后將動力學分析所得的載荷譜加入模型，并采用Goodman方法修正其平均應力，最后對材料的循環特性進行定義，得到材料的S－N曲線。

圖3 車體中心銷處豎向加速度－時間歷程

2 車體結構疲勞壽命計算與結果分析

車體結構靜力分析結果如圖4所示。基于圖4分析結果，對該車體進行疲勞壽命分析，得到車體疲勞壽命較短的前20個點的疲勞壽命結果如圖5所示。從圖5得知，疲勞壽命最短的節點編號為1140627（在裙板連接梁處），可經受的循環次數為31 156次。該車每天運行12個這樣的循環，該節點疲勞壽命為31 156÷12÷365＝7.1年，小于預期的使用壽命25年，因此需要進行改進，使其達到設計壽命。車體最易發生疲勞的部位主要在裙板連接梁處，其疲勞壽命云圖如圖6、圖7所示。

圖4 車體結構靜力分析應力分布云圖

3 結語

該仿真結果與該車體實際出現疲勞裂紋的時間和位置基本吻合，說明了使用該仿真分析方法對跨坐式單軌車輛車體進行壽命預測是可行的。從而可以使用該疲勞壽命仿真方法以縮短新車型的開發周期、節約樣車的制造費用，給車輛輕量化設計提供參考；而且可以通過結構改進，并繼續使用該仿真方法來預測車體的疲勞壽命，以使車體的疲勞壽命達到規定的使用年限。該仿真分析研究為車輛的疲勞壽命預測提供了較為可靠的流程和方法，并可判斷車輛車體疲勞壽命的薄弱位置。

圖5 車體疲勞壽命最短的前20個點的信息

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