基于FE-SAFE的牽引拉桿疲勞可靠性分析

胡明廣，李永華，王劍，秦強(qiáng)

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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基于FE-SAFE的牽引拉桿疲勞可靠性分析

胡明廣，李永華，王劍，秦強(qiáng)

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

在對(duì)牽引拉桿進(jìn)行靜強(qiáng)度分析基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS/FE-SAFE軟件分析并計(jì)算其疲勞壽命；基于應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線，以無故障行駛里程數(shù)為可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算牽引拉桿的中位壽命和可靠度為99%下的壽命，為車輛安全可靠運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù).

牽引拉桿；靜強(qiáng)度；P-S-N曲線；疲勞可靠性

0 引言

牽引拉桿裝置是軌道車輛上至關(guān)重要的承載部件，用來傳遞縱向牽引力和制動(dòng)力[1].因?yàn)檐囕v運(yùn)行中會(huì)頻繁地啟動(dòng)和制動(dòng)，所以牽引拉桿會(huì)長期承受往復(fù)的交變載荷作用[1]，可能會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展將引發(fā)疲勞破壞.牽引拉桿在使用過程中所受到的循環(huán)應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，一般不會(huì)因材料強(qiáng)度不足而發(fā)生破壞，其主要破壞形式是疲勞破壞.由于牽引拉桿位置特殊，發(fā)生疲勞破壞時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)[2]，所以牽引拉桿在使用過程中很容易引發(fā)事故[3].據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，機(jī)車車輛在鐵路上運(yùn)行的過程中曾多次出現(xiàn)牽引拉桿斷裂的案例.為保證牽引拉桿在使用過程中的安全性和可靠性，有必要對(duì)牽引拉桿進(jìn)行疲勞可靠性分析.

牽引拉桿疲勞可靠性分析過程中受諸多不確定性因素，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷、材料的屬性、外部的載荷和加工尺寸誤差等[4]的影響，很難找出一種確定方法來計(jì)算其疲勞壽命.本文通過對(duì)牽引拉桿的靜強(qiáng)度分析，利用應(yīng)力-壽命模型和可靠性理論，基于簡化的正弦載荷激勵(lì)，運(yùn)用疲勞累計(jì)損傷理論和雨流計(jì)數(shù)法，用FE-SAFE軟件來分析計(jì)算牽引拉桿的疲勞可靠性.

1 牽引拉桿靜強(qiáng)度分析

某型號(hào)動(dòng)車組的牽引拉桿裝置主要由牽引座和牽引拉桿組成，牽引座固定在車體上，牽引拉桿連接在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁上，主要傳遞車體和轉(zhuǎn)向架的縱向力[5].牽引拉桿裝置有限元模型如圖1所示.

圖1 牽引拉桿裝置

某型號(hào)動(dòng)車組在軌道上運(yùn)行時(shí)，牽引拉桿主要承受牽引或制動(dòng)的交變載荷作用.長時(shí)間的牽引或制動(dòng)會(huì)使?fàn)恳瓧U產(chǎn)生疲勞破壞.為確保該裝置安全、可靠的工作，對(duì)牽引拉桿進(jìn)行靜強(qiáng)度分析和疲勞可靠性分析顯得尤為重要.

車輛啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，載荷由轉(zhuǎn)向架通過牽引裝置傳遞給車體，牽引拉桿在此過程中受到縱向的牽引力或制動(dòng)力.根據(jù)UIC615- 1規(guī)定[5]：當(dāng)牽引拉桿承受的縱向力≤3g倍轉(zhuǎn)向架質(zhì)量時(shí)，牽引裝置不會(huì)產(chǎn)生永久的變形；當(dāng)牽引拉桿承受的縱向力≤5g倍轉(zhuǎn)向架質(zhì)量時(shí)，牽引拉桿裝置會(huì)發(fā)生永久變形[6].本例所用的車型轉(zhuǎn)向架質(zhì)量為22 t，最大牽引力或制動(dòng)力為200 kN，牽引拉桿材料選用SAE_950C塑性鋼，材料的屈服極限為350 MPa，抗拉強(qiáng)度為400 MPa.

牽引拉桿有限元模型的網(wǎng)格采用四面體實(shí)體單元solid185，單元個(gè)數(shù)為98 502，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為24 544，網(wǎng)格劃分時(shí)將過渡圓弧的部分細(xì)化以提高其計(jì)算精度.牽引拉桿的有限元模型如圖2所示.

圖2 牽引拉桿的有限元模型圖

牽引拉桿在該典型工況下靜強(qiáng)度分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 牽引拉桿的第一主應(yīng)力云圖

從圖3的第一主應(yīng)力云圖中可看出，牽引拉桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿頭與桿身的連接處.其最大應(yīng)力為158 MPa，小于材料的屈服極限350 MPa，牽引拉桿不會(huì)因?yàn)殪o強(qiáng)度不足而發(fā)生破壞.考慮到牽引拉桿長期受到牽引或制動(dòng)交變載荷的作用，可能會(huì)使其發(fā)生疲勞破壞，所以要對(duì)牽引拉桿進(jìn)行疲勞可靠性分析.

2 基于ANSYS/FE-SAFE牽引拉桿疲勞可靠性分析

2.1 疲勞壽命分析

牽引拉桿疲勞壽命分析以靜強(qiáng)度分析的結(jié)果為根據(jù)，求出單位載荷的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力作為時(shí)間載荷歷程;再將其與載荷倍數(shù)相關(guān)聯(lián)，完成疲勞載荷譜的設(shè)計(jì)[2].但是，實(shí)際疲勞載荷譜獲取比較困難，根據(jù)牽引拉桿在使用過程中實(shí)際情況分析，交變循環(huán)的牽引力和制動(dòng)力將采用簡化的正弦載荷譜.疲勞載荷譜如圖4所示.

圖4 疲勞載荷譜曲線

本例采用車輛行駛的里程數(shù)來進(jìn)行疲勞壽命分析.經(jīng)過調(diào)研，軌道上行駛的車輛，平均每公里完成一次“牽引-制動(dòng)-牽引”的循環(huán).頻繁的牽引與制動(dòng)引發(fā)牽引拉桿產(chǎn)生疲勞，當(dāng)疲勞累計(jì)到一定程度后便會(huì)發(fā)生疲勞破壞[6].根據(jù)疲勞累積損傷理論，利用FE-SAFE軟件很容易完成對(duì)牽引拉桿的疲勞壽命分析.

在ANSYS/FE-SAFE中，牽引拉桿的疲勞壽命如圖5所示，其疲勞壽命公式為[8]

(1)

式中,Sx為對(duì)數(shù)結(jié)果；N為疲勞壽命.

圖5 牽引拉桿對(duì)數(shù)壽命圖

根據(jù)式(1)計(jì)算得到牽引拉桿的疲勞壽命N=106.685 6=4 848 417 km，大于牽引拉桿的設(shè)計(jì)壽命300萬km.從圖5看出桿頭和桿身相連接的部位是疲勞破壞位置，即是最小安全系數(shù)出現(xiàn)的位置.通過與圖3所示的靜強(qiáng)度分析云圖比較發(fā)現(xiàn)，發(fā)生疲勞破壞的部位也是應(yīng)力比較集中的部位，可以驗(yàn)證疲勞壽命計(jì)算的準(zhǔn)確性.

牽引拉桿疲勞安全系數(shù)是考慮計(jì)算載荷及應(yīng)力準(zhǔn)確性、材料的可靠性等因素影響牽引拉桿強(qiáng)度的強(qiáng)度裕度[9- 10].其值大于等于1時(shí)，滿足牽引拉桿強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，牽引拉桿可以安全可靠的工作；其值小于1時(shí)，不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求.

從圖6可看出牽引拉桿最小安全系數(shù)為1.109 4，雖然滿足了疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本要求，但是余量不足，可能在該處發(fā)生疲勞破壞[11- 12].所以當(dāng)車輛行駛一定歷程數(shù)后，對(duì)該處進(jìn)行必要的檢驗(yàn)[13].

圖6 牽引拉桿疲勞安全系數(shù)圖

2.2 疲勞可靠性分析

新接班不久就遇到了一個(gè)很特殊的學(xué)生—小睿。說他特殊一點(diǎn)也不過分：用板凳打同學(xué)；拿尖尖的鉛筆扎同學(xué)的腦袋；咬人；往別人脖子領(lǐng)子里塞沙子；解小便常常排在別人身上……“斑斑劣跡”使小睿在班里沒有一個(gè)朋友，更得不到同學(xué)們的喜歡。而最讓人頭疼的是小睿偷偷拿別人的東西，他這種行為已經(jīng)引起了公憤。

由于牽引拉桿材料的特性、設(shè)計(jì)尺寸偏差和所承受的載荷都具有隨機(jī)不確定性[4].使得相同的牽引拉桿會(huì)呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性.在考慮這些隨機(jī)因素的基礎(chǔ)上，基于應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線.利用ANSYS/FE-SAFE軟件中的Probability模塊進(jìn)行牽引拉桿的疲勞可靠性分析.采用不同可靠度P下的一簇S-N曲線，求得任意可靠度時(shí)一定應(yīng)力水平下的牽引拉桿疲勞壽命.

疲勞可靠性計(jì)算常用的應(yīng)力-壽命模型有Basquin、Langer和三參數(shù)模型[14].通常情況下，三參數(shù)模型的擬合效果較好，該模型可表示為：

(2)

式中,S為加載應(yīng)力；N為疲勞壽命；S0、m和C為材料常數(shù).

經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證表明，試件在不同應(yīng)力水平下的失效循環(huán)次數(shù)N的分布曲線服從威布爾分布；外部應(yīng)力載荷服從高斯分布或正態(tài)分布；材料參數(shù)服從威布爾分布[15].FE-SAFE軟件具有強(qiáng)大的疲勞可靠性計(jì)算功能，通過對(duì)各分布參數(shù)的設(shè)定，可以計(jì)算出典型工況下牽引拉桿的中位壽命和任意可靠度下的疲勞壽命.

(1)中位壽命

所謂中位壽命[11]是指可靠度為50%時(shí)的壽命，是利用中值S-N曲線來進(jìn)行疲勞分析時(shí)所得到的疲勞壽命.基于FE-SAFE分析的牽引拉桿的中位壽命為4 848 417 km.

(2)可靠度為99%下的壽命

圖7 可靠度為99%時(shí)的壽命圖

3 結(jié)論

本文采用專用疲勞分析軟件FE-SAFE完成對(duì)某型號(hào)動(dòng)車組車輛牽引拉桿的疲勞可靠性分析.

(1)在分析牽引拉桿受到典型工況(牽引或制動(dòng))的基礎(chǔ)上，提出了采用應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線，基于正弦載荷激勵(lì)，按照累計(jì)損傷理論和雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算其疲勞壽命.基于FE-SAFE中Probability模塊對(duì)牽引拉桿進(jìn)行疲勞可靠性分析，并得到牽引拉桿在可靠度為99%下的使用壽命；

(2)在FE-SAFE中完成疲勞循環(huán)次數(shù)到運(yùn)行里程數(shù)的轉(zhuǎn)化，提出使用運(yùn)行里程數(shù)來完成對(duì)牽引拉桿疲勞壽命分析；

(3)綜合牽引拉桿靜強(qiáng)度分析和疲勞可靠性分析的結(jié)果可以得出，牽引拉桿發(fā)生疲勞破壞的部位是靜強(qiáng)度分析時(shí)應(yīng)力較大的部位，這不僅可以預(yù)見計(jì)算的準(zhǔn)確性，也對(duì)消除應(yīng)力集中，減小疲勞損傷、延長疲勞壽命提供了科學(xué)依據(jù)；

(4)基于應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線，利用FE-SAFE軟件中的可靠性設(shè)計(jì)模塊，計(jì)算出牽引拉桿在可靠度為99%時(shí)的使用壽命為3 162 277萬km，確保了牽引拉桿使用可靠，車輛運(yùn)行安全.

[1]劉興龍，陳一萍.軌道車輛牽引拉桿有限元分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013(1):60- 62.

[2]姜年朝.基于ANSYS/FE-SAFE的無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼疲勞分析[J].玻璃鋼復(fù)合材料，2009(6):3- 4.

[3]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京:國防工業(yè)出版社，2003.

[4]周元，傅茂海.快速貨車轉(zhuǎn)向架牽引拉桿可靠性分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012(1):33- 34.

[5]UIC 615- 1 OR.Tractive units-Bogies and running gear-General conditions applicable to component parts[S].Paris:International Union of Railways,2003.

[6]秦代成.高速動(dòng)車組牽引裝置可靠性靈敏度分析及穩(wěn)健設(shè)計(jì)[D].沈陽：東北大學(xué)，2012.

[7]易太連.基于有限元和FE-SAFE的柴油機(jī)排煙管震動(dòng)下的疲勞壽命[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2008，6(3):76- 80.

[8]劉明星，劉志峰，宋守許.基于ABAQUS/fe-safe的服役后軸類零件疲勞分析方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(9):72- 74.

[9]唐芬，鄭穎人.強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)不同定義對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009，31(3):62- 64.

[10]YAN YONGJIAN,XU JINQUAN.Reliability Research on Fatigue Life of Spots of Semi-submerged Drilling Unit[J].Journal of Shanghai Jiaotong University (Science),2011, 16(2):242- 246.

[11]金偉婭，張康達(dá).可靠性工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[12]MOAN T,AYALA-URAGA E.Reliability-based assess-ment of deteriorating ship structures operating in mul-tiple sea loading climates[J].Reliability Engineering and System Safety,2008,93(3):433- 446.

[13]ZUO FANGJUN,ZHU SHUNPENG,GAO HUIYINGE,et al.Stochastic Fatigue Life and Reliability Prediction Based on Residual Strength[J].Journal of Shanghai Jiaotong University (Science),2015,20(3):331- 337.

[14]趙永翔，王金諾，高慶.估計(jì)三種常用疲勞應(yīng)力-壽命模型P-S-N曲線的統(tǒng)一經(jīng)典極大似然法[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2001，18(1):84- 85.

[15]吉倩.飛機(jī)起落架疲勞可靠性分析方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

Fatigue Reliability Analysis of Traction Rod based on FE-SAFE Software

HU Mingguang,LI Yonghua,WANG Jian,QIN Qiang

(School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The static strength analysis is carried out on the traction rod,and its fatigue life is analyzed by using ANSYS/FE-SAFE software.According to stress and fatigue life model P-S-N curve and taking non-failure mileage as reliability evaluation index,the median life and 99% reliability life are calculated.The method will provide a scientific basis of safe and reliable operation of the vehicle.

traction rod;static strength;P-S-N curve;fatigue reliability

1673- 9590(2016)03- 0032- 04

2015- 09- 13

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014028020)；遼寧省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(L2013182)；中國鐵路總公司科技研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014J004-O)

胡明廣(1990-)，男，碩士研究生;李永華(1971-)，女，教授，博士，主要從事可靠性工程，機(jī)車車輛RAMS，穩(wěn)健優(yōu)化方面的研究E-mail:yonghuali@163.com.

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