城市軌道交通車輛轉向架天線梁隨機振動疲勞分析

黃均洪 鄺福榮

中車廣東軌道交通車輛有限公司 廣東 江門 529000

隨著現如今科技的不斷發展，搭載車載信號的裝置多樣，其中有城市軌道交通車輛向架上的天線梁所轉變的這一種裝置。天線梁由橫梁和輔助安裝座構成，通過螺栓和轉向架的構架端部連接左右兩端。因為在運行車輛的時候，軌道不順平，所以用激勵的形式作用在結構上通過一系彈簧，將輪軌的接觸轉向架天線梁上。然而當構架上安裝的部件和軌道外載荷激勵的頻率相近使，因為轉向架結構的頻率范圍略寬，這時如果部件不具備抗隨機震動疲勞的能力或者是能力不足時，就會很大概率的發生疲勞斷裂失效。文章首先總結分析了隨機震動疲勞理論，其次進行了對轉向架天線梁的仿真分析和結構優化，而且還將實際上運行線路的動應力測試結果拿來做對比，最后整理歸納了一個隨機振動疲勞分析的方法。

一、隨機振動疲勞的基本理論

所謂的疲勞損傷，就是指外載荷往復所產生的損傷累積，也可以理解為是外載荷使材料性能慢慢遞減的一個過程。其中，外載荷可以分為兩個載荷，即等幅載荷和隨機載荷，不同的材料疲勞損傷是由于這兩者激勵過程的不同。應力峰值的應力幅是等幅載荷[1]，均方根值表達是隨機載荷的應力幅表達方法。

軌道車輛運行時的激勵載荷具有隨機性。而這種隨機載荷會嚴重影響結構疲勞的壽命。我們可以從兩個方面進行隨機震動疲勞的載荷譜計算結構應力相應譜的分析。在頻域方面分析，可以通過計算來得到應力功率譜特性的曲線。在時域方面分析，可以得到一個應力的時間歷程特性曲線[2]。

本文采用了Ansys作為有限元分析軟件，仿真分析的輸入條件為原線路時域內的加速度譜變換為頻率內的載荷激勵譜，與Dirlik的公式和先行疲勞累積損傷法相結合來分析天線梁的疲勞問題，從而來對其的疲勞壽命進行預測。

二、分析天線梁的隨機振動疲勞

轉向架構架的端部有安裝天線梁。構架端部通過傅里葉變化，轉化成頻域信號的載荷激勵譜，數據的截圖如下：

圖1

對天線梁進行隨機振動疲勞仿真分析，可以通過輸入某地鐵縣里的實測載荷譜數據來分析。這一線路全程往返63千米的路程中，位于輔助安裝座和橫梁連接焊縫處是其載荷譜的天線梁結構最大的累積損傷發生的位置，它的損傷值是3.67×10-5。根據線性的累積，在開行350萬千米時的損傷值是2.04，已經大于了損傷規定的閥值1，并不滿足合同中要求的疲勞壽命。

因為橫梁布局的位置剛度值略低，所以致使了局部模態也略低，從而不能滿足振動疲勞的要求，這是通過對天線梁的疲勞薄弱點的分析和發現。所以，原結構形成新型的雙筋板結構是關鍵，需要在橫梁和輔助安裝座位置焊接加強筋板。雙筋板的結構比單筋板穩定，增加明顯的局部模態數值，從中可見，橫梁振動疲勞要求可以通過雙筋板結構來滿足[3]。

模擬優化后的天線梁雙筋板結構，分析依據頻率下的隨機振動疲勞，在往返全程載荷譜的作用下，補強翼板的圓弧處是結構最大累積損傷值發生的位置，而筋板母材處又是焊縫處的最大疲勞損位置所轉移的。

二、測試天線梁新型結構的線路振動疲勞

采集線路后，測試前處理包括尖峰濾波、50HZ工頻噪聲濾波、零漂修正和小波處理等等的原始數據。天線梁新型結構實測，得到的動應力數據依據Miner線性累計損傷法則和材料(焊接接頭)的S-N曲線，通過對母材或焊縫的需用疲勞極限相結合，來評估天線梁測點的位置疲勞強度。兩次測試的動應力最大值和最小值、幅值是轉向架天線梁的新型結構測點，如表1所示。能夠看出，線路測試的試驗位置和結構疲勞損傷薄弱的位置是相同的。而仿真的分析和試驗損傷值之間的誤差僅為11%，分析出來的結果更是與實驗的結果一致性較好。所以，這個結構對天線梁結構的優化能夠起到至關重要的指導作用。

結束語

隨著社會的不斷進步，服役天線梁也是一個相對漫長的道路。本來應該是一個超高周疲勞，然而被試驗條件和數據所限制，導致本文沒有考慮到材料超高周疲勞特性的變化。

另外，以轉向架天線梁的仿真分析結構和實際的線路動應力的測試結果進行了對比看出，轉向架天線梁疲勞的真實運行特點可以由隨機振動的疲勞分析方法反應，能夠有力地指導產品設計和試驗的驗證。在頻域分析中，我們運用Ansys軟件，仿真分析的輸入條件可以用頻率內的載荷激勵譜來替換線路時域內的運行加速度譜，從而使用Dirlik公式和線性疲勞累積損傷理論相結合的仿真分析體系，能夠良好的預測天線梁的疲勞問題，從而對天線梁部件的結構進行指導和優化。另外，其他隨機振動的工程問題也可以運用著套方法進行參考。