吊裝設備振動沖擊下的鋁合金車體C型槽疲勞強度分析

馬紀軍，楊 帥，于金朋，宿 崇

(1.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

目前我國動車組運營速度達到300 km/h以上，如此高的運行速度要求其必須比普通列車具有更高的安全可靠性［1-2］.因此，動車組車體從設計、選材到制造的各個環節都有極為嚴格要求.動車組車體材料為鋁合金，這符合高速列車輕量化的發展需求，然而也易于出現結構強度不足的問題.車體懸掛設備是確保動車組正常運行的重要功能部件，通常通過吊裝結構固定在車體上，工作狀態下懸掛設備隨車體產生隨機振動，振動沖擊載荷通過吊裝結構傳遞到車體上［3-5］.交變的沖擊載荷將使車體承載部位產生疲勞損傷，為列車的安全運行帶來隱患.因此在設計車體懸掛設備時，需對相應的車體承載部位進行強度校核，以確保其運行可靠性.本文采用有限元法，對某型動車組車頂凈水箱吊裝設備振動沖擊下的車體C型槽結構疲勞強度進行仿真計算，以此來分析吊裝設備結構設計的合理性.

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1 載荷工況分析

某型動車組凈水箱及其吊裝組件結構如圖1所示.該凈水箱安裝于車頂區域，用于給各用水點供水.凈水箱通過過渡梁組件吊裝在車體C型槽上，水箱支架和過渡梁之間通過螺栓連接.水箱裝滿水后的總重為340 kg.動車組運行時，由水箱振動而產生的沖擊載荷將通過螺栓連接組件傳遞到車體C型槽上.

圖1 凈水箱及其吊裝組件

根據EN12663標準規定的車體附加設備載荷取值規范確定凈水箱吊裝設備的工作載荷工況，如表1所示.根據該載荷工況，采用有限元仿真計算出各連接螺栓的承載力，計算結果表明，中間吊座的外側螺栓承載力及其變化范圍最大，因此可以取其作為C型槽疲勞強度計算載荷，如表2所示.

表1 工作載荷計算組合工況

表2 螺栓承載力

2 工作載荷下結構靜強度分析

2.1 有限元模型

為簡化模型節省計算資源，同時保留結構細節，C型槽圓角部位采用實體單元建模，而其它厚度均勻部位則可通過提取中性面，并采用殼單元建模，如圖2所示.實體單元和殼單元之間需定義綁定接觸.由于實體單元和殼單元連接處的應力過渡與統一單元相比存在一定的偏差，所以在連接處定義了過渡單元.選擇過渡單元時應避開結構應力集中的部位及重點關注部位.滑塊采用殼單元建模，滑塊與C型槽之間通過剛性單元連接，以實現力學參數的傳遞.載荷施加于滑塊螺栓孔中心的質量單元，通過縱向Fx、橫向Fy以及垂向Fz三個方向的載荷實現加載.

假定各載荷工況出現頻率相同的情況下，根據表2構造出C型槽承載載荷歷程，如圖7所示.采用Fe-safe軟件進行疲勞壽命計算，預先設定結構的設計壽命為1.0×107.計算結果表明，C型槽的疲勞壽命大于1.0×107循環，最小安全系數為13.625，這表明在凈水箱的振動沖擊載荷下，在指定的設計壽命內C型槽結構不會發生疲勞破壞.

圖2 實體單元－殼單元混合模型

車體材料為鋁合金，其物理力學特性如下:密度為2.7e-6 kg/mm3;彈性模量為7e4 MPa;泊松比為0.3;屈服強度為215 MPa;極限拉伸強度為400 MPa.

2.2 計算結果分析

圖4所示為結構疲勞關注部位應力分布情況.由圖可見，結構發生應力集中的部位出現在區域 A、B、C、D、E，這些區域主要為結構的圓角或拐角部位，且處于結構的中部，靠近載荷作用點，此外在滑塊與C型槽接觸的邊界位置也存在一定的應力集中行為.提取應力集中區域部分節點應力值，如圖5所示，可見，在工況1載荷作用下，區域A、C應力集中行為較為突出，最大值達到13.8 MPa，但遠小于材料的屈服強度215 MPa，表明結構在正常運行工況下不會出現塑性破壞.

圖3 C型槽結構應力分布(工況1)

圖4 C型槽疲勞關注部位應力分布

圖5 應力集中區域應力分布

分析表2可知，工況1時C型槽結構承受載荷最大，因此選其作為C型槽靜強度計算載荷，計算結果如圖3所示.由圖可見，在殼單元和實體單元交接的部位應力過渡存在一定的偏差，因此在進行結構強度分析時，應忽略此部位.

3 C型槽疲勞壽命仿真分析

3.1 材料疲勞特性估算

人們宣誓的日子到了！沒有尋到公雞，決定拿老山羊來代替。小伙子們把山羊抬著，在桿上四腳倒掛下去，山羊不住哀叫。二里半可笑的悲哀的形色跟著山羊走來。他的跛腳仿佛是一步一步把地面踏陷。波浪狀的行走，愈走愈快！他的老婆瘋狂地想把他拖回去，然而不能做到，二里半惶惶地走了一路。山羊被抬過一個山腰的小曲道。山羊被升上院心鋪好紅布的方桌。

圖6 鋁合金車體材料S-N曲線

3.2 仿真結果分析

大腦袋多多贊嘆了一句。那些在海藻之間穿行的圓的、扁的、呈放射狀的，硬殼的、軟體的，單色的、五彩繽紛的各種生物令他著迷。

在工程實踐中，對于沒有可用S-N曲線的材料，需要進行疲勞壽命計算時，一般可通過材料的疲勞與拉伸特性之間的經驗關系式來估算S-N曲線.盡管它們之間的關系沒有充分的科學依據，但是已經成為分析人員評估疲勞性能的重要依據［6］.目前，各類疲勞分析軟件均有相應的評估方法，但使用的評估參數不盡相同.本文利用Fe-safe軟件，通過材料的彈性模量和極限抗拉強度(UTS)估算出鋁合金車體材料的疲勞特性曲線，如圖6所示.應力水平與循環次數的對應關系為:S(260.723 MPa，135.262 MPa)～ N(1.0 ×104，1.0 ×107).

圖7 C型槽結構承載載荷歷程

圖8所示為結構疲勞關注單元的安全系數分布.可以看出，實體單元結構疲勞安全系數較低的部位主要位于圓角處;殼體單元結構疲勞安全系數較低的部位位于滑塊與C型槽接觸邊緣至結構拐角之間.

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圖8 C型槽結構安全系數分布

4 結論

本文采用有限元法對某型動車組車頂凈水箱吊裝設備振動沖擊下的車體C型槽疲勞強度進行仿真分析.考慮到計算效率與結構的細節描述，采用實體單元與殼單元混合建模的方法建立C型槽結構計算模型.假定各載荷工況出現頻率相同的情況下，根據吊裝組件連接螺栓的承載力構造出 C型槽工作載荷歷程.采用 ANSYS/FESAFE疲勞分析軟件對工作載荷下C型槽結構的靜強度與疲勞強度進行了仿真分析.仿真結果表明，在正常運行工況下，C型槽不會發生塑性破壞，且在指定設計壽命下(1.0×107次循環)不會發生疲勞破壞.

［1］牽引動力國家重點實驗室.時速400公里高速檢測車車體與車下設備耦合振動分析［R］.成都:西南交通大學，2011.

［2］SCHUPP G，NETTER H，MAUER L，et al.Multibody System Simulation of Railway Vehicles with SIMPACK［J］.Vehicle System Dynamics Supplement，1999，31:101-118.

［3］王東屏，何正凱，李明高，等.動車組氣動阻力降阻優化數值研究［J］.鐵道學報，2011，33(10):15-18.

［4］DIEDRICHS B.Aerodynamic Calculations of Crosswind Stability of a High-Speed Train Using Control Volumes of Arbitrary Polyhedral Shape［J］.Bluff Bodies Aerodynamics ＆Applications，2008，6:20-24.

［5］康洪軍，曾京，張衛華，等.高速綜合檢測列車車體與車下設備耦合振動分析［J］.北京交通大學學報，2011，35(6):62-66.

［6］周傳月，鄭紅霞，羅慧強.MSC.Fatigue疲勞分析應用與實例［M］.北京:科學出版社，2005.