高速動車組設備艙支架結構抗疲勞性能研究

宿崇，楊永勤，馬紀軍，李明高，米小珍

(1.中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063000;2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧大連116028)*

0 引言

車下設備艙是高速動車組車體的主要組成部分，在改善動車組空氣動力學外形，保護車下懸掛設備方面起著關鍵作用，其結構可靠性對動車組的安全運營至關重要.動車組高速運行時，在軌道不平順、車體側風以及車下懸掛設備振動等的激勵下，設備艙單元產生各階模態耦合振動［1-4］.此外，動車組高速運行時產生的強側風會直接作用于設備艙部件，氣壓值高達上千兆帕.振動沖擊和氣動載荷的雙重作用將對設備艙及相關聯接部件造成損害，為列車的安全運營帶來隱患［5-8］.因此有必要研究車下設備艙部件結構的強度特性，進而從結構上采取相關解決措施來提高設備艙部件的結構強度、預防疲勞事故的發生.

本文以某型高速動車組車下設備艙支架結構為研究對象，采用有限元法分析了兩種設計方案支架結構的強度特性.在實際運營線路條件下測試了兩種設計方案支架結構焊縫關鍵部位的動應力，并對兩種支架結構的抗疲勞性能進行了評估.

1 設備艙支架結構與載荷工況分析

設備艙模塊結構如圖1所示，主要由裙板、裙板吊掛、底板和設備艙支架組成.其中設備艙支架為鋁合金焊接和螺栓聯接件，由L型折彎鋁板、L型箱梁、橫梁以及加強筋組成.

圖1 設備艙模塊結構

設備艙支架結構的兩種設計方案如圖2所示.方案一為原設計方案(圖2(a))，在動力特性試驗中發現上筋板與L型板聯接部位應力幅值偏大，因此提出了改進方案二，改進結構(圖2(b)).

圖2 設備艙支架結構

在運營過程中設備艙支架結構主要受到振動沖擊和氣動載荷影響，其中振動沖擊直接作用在設備艙支架和與之相連的裙板、設備艙底板上，而氣動載荷則直接作用在裙板和底板上，通過聯接吊掛傳遞到支架上.試驗研究表明，氣動載荷對設備艙支架結構的影響遠大于振動沖擊載荷，是支架結構應力的主要載荷因素，因此在進行結構強度仿真時只需確定氣動載荷工況.

動車組高速運行時，車體四圍產生復雜的強氣流場，實際線路測試表明，動車時速達300～350 km/h時，氣動壓力差高達3～4 kPa.依據《EN12663鐵道應用—軌道車身的結構要求》及參照車下設備艙表面壓力測試結果，確定了各載荷工況，如表1所示.

表1 氣動載荷工況

2 設備艙支架結構靜力仿真

采用有限元分析及處理軟件ANSYS和HYPERMESH建立裙板支架結構有限元模型.結構模型主要采用殼單元Shell181建立，用梁單元模擬螺栓，并通過RBE3單元建立螺栓聯接關系，裙板鎖采用RIGID單元建立聯接關系，但允許繞鎖軸線的轉動自由度.

兩種設計方案支架結構焊縫處應力最大值情況如表2所示.分析表明:焊縫處的結構應力明顯大于非焊縫處，最大應力發生在上焊縫點或L角端焊縫點處;裙板氣動載荷對結構焊點應力的影響均大于底板氣動載荷;方案二上筋板與L型板聯接部位上焊縫角端處的應力情況得到明顯改善，上筋板與L型板連接部位下焊縫角端、橫梁筋板與安裝座連接焊縫以及橫梁與安裝座連接焊縫等部位的應力與方案一基本相同.

表2 兩種方案支架結構焊縫處應力最大值 MPa

3 設備艙支架結構動力特性試驗

3.1 試驗方案

根據設備艙支架的結構特征并結合上述仿真分析，確定在支架的上筋板與L型板聯接焊縫部位和橫梁筋板與安裝板聯接焊縫部位布置應變片.在方案一支架上布置測點A1和A2，在方案二支架上布置測點B1、B2、B3和B4，具體布片位置如圖3所示.

圖3 兩種方案支架結構應力測點位置

測試試驗在某型動車組上進行，測試里程約為5 000 km，最高運行速度達到330 km/h.動應力測試采用120 Ω箔式應變片，應變片柵基長度為5 mm.試驗時將EDS-400A數據采集系統固定到車下設備艙內部進行動應力的數據采集，采樣頻率為500 Hz.根據動車組結構動應力的特點，該采樣頻率足以保證采樣數據的真實性.通過全程連續采集，能夠保證測試數據的完備性.

3.2 試驗結果分析

采用雨流計數法對采集到的動應力數據進行循環計數處理，編制了各測點的八級應力譜.通過雨流處理得到的疲勞應力譜為非對稱應力譜，而S-N關系曲線適用于對稱循環應力譜，因此需要對應力譜進行修正.本文采用Goodman修正公式將非對稱疲勞應力譜對稱化，修正公式為

式中，σ-1ai為修正應力幅;σai為初始應力幅;σavi為應力均值;σb為材料強度極限.

采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA針對變幅加載條件所推薦的S-N曲線形式計算各測點的等效應力幅，等效應力幅的計算公式為

式中，L1為實測應力譜的運行公里數;σ-1ai為各級應力幅;ni為各級應力幅值的循環次數;m為SN曲線參數;N=107，L=1 200萬km.

各測點的等效應力幅計算結果如表3所示.可見方案二支架結構上筋板與L型板聯接部位的等效應力幅明顯降低，橫梁筋板與安裝座聯接部位的等效應力也有所改善.由此說明方案二支架結構的抗疲勞性能優于方案一.

表3 各測點等效應力幅

4 結論

本文采用有限元仿真和動應力測試試驗的方法，分析了某型高速動車組兩種設備艙支架結構在氣動載荷作用下的結構強度特征與抗疲勞性能.靜力仿真結果表明，裙板氣動載荷對支架結構應力影響大于底板氣動載荷;方案二支架改進結構在上筋板與L型板聯接部位上焊縫角端處的應力情況得到明顯改善.動力特性試驗表明，方案二支架結構上筋板與L型板聯接部位的等效應力幅明顯降低，橫梁筋板與安裝座聯接部位的等效應力也有所改善.由此說明方案二支架結構的抗疲勞性能優于方案一.

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