列車轉向架側架聲發射檢測的有限元仿真與試驗

張建超， 郝如江， 武 哲

(1. 北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044；2. 石家莊鐵道大學工程訓練中心，河北 石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043)

列車轉向架側架聲發射檢測的有限元仿真與試驗

張建超1,2， 郝如江3， 武 哲1

(1. 北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044；2. 石家莊鐵道大學工程訓練中心，河北 石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043)

側架作為列車轉向架的關鍵部件，其結構疲勞性能和裂紋狀態直接決定著機車車輛的運行安全。首先從側架檢修時易出現疲勞裂紋的典型位置入手，提出采用聲發射技術的必要性；其次集合UG、HyperMesh、ANSYS/LS-DYNA 3種有限元軟件的三維建模方法，對聲發射信號在側架中的傳播特性進行仿真和可視化；最后依據仿真分析結果提出試驗方案，并搭建側架結構的聲發射斷鉛試驗系統。檢驗了聲發射技術在鐵路大型復雜構件上應用的可行性。

聲發射；側架；波速；聲波；斷鉛試驗

轉向架作為列車的走行部，起到支承車體、轉向和制動的作用，保證機車車輛在軌道上安全平穩地運行。在運行中轉向架長期承受復雜多變的外力，可導致其主要受力部件產生裂紋，嚴重威脅行車安全。目前國內外機車車輛制造與運用部門針對轉向架的定期檢查主要采用超聲波探傷

法、磁粉探傷法、滲透探傷法等幾種方法，這些方法適用于檢查靜態下的裂紋等缺陷，但無法完成承載與運動狀態下裂紋的萌生、擴展、斷裂情況的檢測。

聲發射技術是根據結構內部發出的應力波判斷材料內部損傷程度的一種無損檢測方法，已經應用于航天、石油、電力等領域[1-2]。國內外采用聲發射技術用于列車轉向架檢測的報導多見于軸承、齒輪故障檢測方面，而對轉向架構架檢測的聲發射技術應用卻鮮于報導[3-5]。本文探討采用聲發射技術對列車轉向架主要構件進行無損檢測的可行性，以期通過仿真和試驗分析驗證該技術能夠及時有效地監測并識別裂紋的位置。

1 側架結構及其建模

側架結構復雜且外形不規范，其裂紋檢測比理想的梁、柱、板結構復雜得多，同時聲發射產生的彈性波在側架結構傳播中會演變為多種頻率和模態的復雜信號，致使應用聲發射技術進行側架檢測更加困難。由此提出應用有限元仿真方法模擬聲發射信號在側架中傳播及邊界反射過程，研究其傳播特性以指導試驗方案的設計。

1.1 側架結構及典型裂紋位置

我國鐵路轉向架有多種型號，其中貨車轉8AG型轉向架為典型的鑄鋼三大件式(2個側架和1個搖枕)轉向架，主要由輪對及軸承裝置、搖枕、側架、彈簧減振裝置、基礎制動裝置等5部分組成，結構簡單、檢修方便[6]。本文主要針對側架結構進行研究，如圖1所示。

由于轉向架在運行中承受垂直靜載荷、垂直動載荷、車體側向力引起的附加垂直載荷，側向力所引起的水平載荷以及制動時引起的載荷等多種載荷。側架作為鋼鑄件，往往存在鑄造缺陷，例如氣孔、砂眼和冷隔等，以及粗糙表面帶有型砂、熔渣、氧化皮等雜質，這些特征可能會在復雜多變的載荷下生成疲勞裂紋。在側架檢修時多發裂紋的部位主要在導框彎角處、承載鞍與側架結合處、三角孔周邊及內腔等處，其裂紋標記位置如圖2所示。

圖1 轉8AG型轉向架側架

圖2 側架典型裂紋位置

側架的裂紋必將影響到結構使用性能，并危及機車車輛的行駛安全，但這些裂紋的產生與擴展即使發展到最終階段，結構件也不會產生明顯的永久變形和突發征兆。與振動信號相比較，聲發射信號作為材料內部能量釋放的一種彈性波，能夠更好地表征物體結構內部的狀態變化，特別是針對結構早期微弱故障的檢測具有獨特優勢，因此提出采用聲發射無損檢測方法。

1.2 應用UG軟件建立側架實體模型

Unigraphics(UG)基于完全的三維實體復合造型、特征建模、裝配建模技術，能設計出各種復雜的產品模型，具有強大的參數化設計功能，能夠很好地表達設計意圖，易于修改參數化模型[7]。側架屬于箱型薄壁的鑄鋼結構，其各部分斷面形式為箱型或槽型，因此建立該結構三維模型時，需詳細建立彎角部位和截面的過渡結構。特別是作為本文重點關注的軸箱導框內彎角處，其結構斷面是由箱型過渡到工字型。但是建立的三維模型中并非包含了側架結構的所有細節，在保證模型與側架幾何形狀不變的前提下，去掉那些對聲波傳播影響甚微的造型細節，比如建模時略去了在側架鋼鑄件上后期焊接的支撐座、磨耗板等部分。建立的側架實體模型如圖3所示。

圖3 側架實體模型

1.3 應用HyperMesh軟件劃分網格

HyperMesh軟件具有強大的有限元網格劃分前處理功能，與各種CAD軟件具有良好的集成性，支持很多不同的求解器輸入輸出格式。將建立的側架三維實體模型導入到HyperMesh中，在高度交互及可視化的環境下進行網格劃分，如圖 4所示。選用的SOLID164單元為8節點的體單元，每個節點具有在x、y、z方向的平移、速度和加速度的自由度。采用有限元方法分析聲波傳播，對于模型的網格劃分要求較高，網格劃分的密度設置至少為聲波最短波長的十分之一。在保證計算精度的前提下，對重點關注區段進行了局部網格劃分，以提高計算效率，并采用網格檢查指標的方式剔除了不合格網格。在劃分好有限元網格后，可以直接轉化成LS-DYNA3D求解器文件格式。

圖4 側架網格劃分

2 數值仿真分析

裂紋擴展產生的聲波是一種彈性波，該聲發射信號類似于Hsu-Nielsen斷鉛信號。因此，本文以斷鉛試驗為手段模擬側架結構的斷裂損傷事件，進行聲發射特征參數和損傷源定位的試驗研究[8]。應用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真側架結構在Hsu-Neilsen斷鉛沖擊荷載下的動力響應過程，通過分析聲波的傳播云圖和時程曲線，最終得到聲波波速的仿真結果。

2.1 應用ANSYS/LS-DYNA軟件求解

ANSYS/LS-DYNA軟件是著名的通用顯式動力分析程序，適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體及流固耦合問題。

為產生與斷鉛試驗相近似的波形，仿真模型加載式(1)所示的變激勵力[9]

式中，τ為聲發射源釋放能量的時間，取τ = 1.5μs ；t為計算時間。

側架結構的危險點主要包含導框彎角處、承載鞍與側架結合處、三角孔周邊及內腔等高應力區域點和低疲勞壽命區域點。

本文以側架導框彎角處產生裂紋為例：選擇圖2(a)導框彎角處一點作為斷鉛位置，將該節點生成 Component，依據式(1)建立的載荷時間與載荷數值的數組值進行外力的施加；在輸出控制中，計算時間選取2 000 μs，計算步數取1 000；生成k

文件。鑒于計算機內存大小需求，一般需在計算機中新建一個系統變量：LSTC_MEMORY，值為AUTO后求解，進入“LS-PREPOST”后處理模塊。

2.2 仿真結果

在“LS-PREPOST”后處理模塊中，可以實現側架結構的聲發射信號產生、傳播的可視化過程，并可得到聲波的位移、速度與加速度傳播云圖和時程曲線。如圖5(a)～(c)分別為某時刻的側架結構z方向位移、速度與加速度云圖；圖6為4個節點x方向的振動速度時程圖(節點139 886、161 594、133 280、123 155分別對應于圖7中傳感器a、b、c、d中心位置)，可計算出聲波縱波波速的仿真值為5 420 m/s。

圖5 側架某時刻z方向位移、速度與加速度云圖

圖6 4個節點x方向的振動速度時程圖

以聲發射信號產生機理和傳播特性仿真為基礎，設計出側架聲發射傳播特性試驗方案，優化傳感器的數量與布置，以實現應用較少數量的傳感器實現特定區域以及全局檢測，從而為轉向架主體結構的安全評估和健康診斷提供依據。

3 試驗情況

3.1 試驗過程

在仿真分析的基礎上，搭建了側架結構的聲發射斷鉛試驗系統，如圖7所示。

圖7 側架聲發射斷鉛試驗現場

(1) 采用北京軟島時代科技有限公司的 DS2系列全信息聲發射信號分析系統，參數設定：采樣頻率1 MHz，a、b、c處門檻值為10 mV，d處門檻值為2 mV，前置放大器增益40 dB，峰值鑒別時間、撞擊鑒別時間和撞擊閉鎖時間分別是500 μs、2 000 μs和2 000 μs。

(2) 傳統的聲發射測試需要對傳感器安放位置的結構接觸面進行打磨，本試驗為了減少對側架本體的破壞并提高檢測效率，嘗試采用不打磨接觸面，直接涂抹耦合劑后固定傳感器的方法檢驗其可行性。

(3) 傳感器型號SR150M，中心頻率0.15 MHz，頻率帶寬60～400 kHz，靈敏度峰值＞75 dB。常用的聲發射源定位傳感器陣列為三角形，在被檢測對象幾何形狀規則的情況下，采用等腰三角形排列，對于幾何形狀不規則時采用任意三角形排列[6]。鑒于側架結構復雜，適當增加傳感器數量以優化檢測結果，具體位置見圖7中a、b、c、d處。

(4) 按照Nielsen-Hsu 斷鉛法的要求，采用直徑0.5 mm的HB筆芯斷鉛來模擬聲發射源，選擇側架導框彎角處一點(圖7中o點)作為斷鉛位置，斷開鉛芯長度為2.5 mm，斷鉛方向與被檢件表面成30°角。

3.2 試驗結果

圖 8為試驗采集到的斷鉛試驗的一次斷鉛信號的4個通道的數據圖。

圖8 斷鉛試驗的信號數據圖

采用時差定位法經過多次試驗測得聲波的縱波速度試驗值為5 060 m/s，與縱波速度的理論值5 910 m/s、仿真值5 420 m/s相比較，三者具有一定偏差。究其原因，是因受到結構形狀尺寸、材料類型、傳感器頻響特性及傳播衰減等因素的影響，這 3個速度值均不具有權威性，致使采用單一類型數據進行時差定位，必然出現難以精確定位的局限性。因此提出融合了這 3種波速的時差定位方法，可以方便、快捷地實現側架結構聲發射源的區域定位。

4 結 束 語

綜上所述，通過對采用 3種有限元軟件有機結合方法建立的有限元模型的分析，可以實現對側架這種復雜結構及外形不規范的結構進行聲波仿真，能夠實現直觀地分析聲發射信號的傳播過程，并且為聲發射技術應用于側架結構裂紋檢測現場提供方案指導和技術支持。隨著我國高速鐵路的逐步興起和快速發展，高速動車組轉向架結構必將在運營和檢修中面臨新的問題和挑戰，希望將聲發射技術逐步引入到國內機車車輛制造與運用部門，為轉向架關鍵部件的現場檢修提供一種新的、穩定的、便于操作的檢測手段。

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Finite Element Simulation and Experiments of Acoustic Em ission Testing on the Side Frame of Train Bogie

Zhang Jianchao1,2, Hao Rujiang3, Wu Zhe1

(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;
2. Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China; 3. School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China)

The side frame is the key component of train bogie, and its fatigue property and crack state directly determ ines the operation security of locomotive vehicles. This paper starts w ith the typical locations where fatigue cracks easily appear in maintaining the side frame, thus the necessity of acoustic em ission is proposed. The three-dimensional modeling method is combined w ith 3 kinds of finite element software (UG, HyperMesh and ANSYS/LS-DYNA), and the transmission characteristics of the acoustic em ission signals in the side frame were simulated and visualized. Finally, the experimental program was proposed based on the simulation analysis, and the lead break testing system of the acoustic em ission in the side frame was established. The application feasibility of the acoustic em ission technique was tested on large railway components.

acoustic em ission; side frame; wave velocity; acoustic wave; lead break testing

U 279.3

10.11996/JG.j.2095-302X.2016040491

A

2095-302X(2016)04-0491-05

2015-11-25；定稿日期：2016-02-25

國家自然科學基金項目(11472180)，石家莊鐵道大學科研專項資金項目(20142033)

張建超(1977–)，男，河北唐山人，副教授，在讀博士。主要研究方向為機械工程。E-mail：zhangjianchao@yeah.net