高速動車組動力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)疲勞分析

楊建明 祖炳潔 閆偉

摘要：本文以和諧號CRH380B動車轉(zhuǎn)向架為研究對象，根據(jù)UIC615-4動車轉(zhuǎn)向架加載標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用Workbench軟件對構(gòu)架首先進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析和經(jīng)典疲勞強(qiáng)度分析，由此確定了相對薄弱的關(guān)鍵節(jié)點。然后運用UM多體動力學(xué)仿真軟件，施加路譜激勵、求得構(gòu)架的垂向和橫向動態(tài)載荷譜;運用nCode DesignLife疲勞分析軟件，將動態(tài)載荷譜施于構(gòu)架的承載位置，進(jìn)而求得構(gòu)架的疲勞壽命云圖。由于構(gòu)架的疲勞壽命試驗成本昂貴且實驗局限性很強(qiáng)，因此本文的仿真計算為動車轉(zhuǎn)向架的疲勞壽命求解提供了一個值得借鑒的方法。

Abstract： In this paper， the harmony CRH380B bullet train bogie was taken as the research object. According to the loading standard of uic615-4 bullet train bogie， the framework was firstly analyzed for static strength and classical fatigue strength by applying Workbench software， thus determining the relatively weak key nodes. Then， UM multi-body dynamics simulation software was used to apply road spectrum excitation and obtain vertical and transverse dynamic load spectra of the framework. Using nCode DesignLife fatigue analysis software， dynamic load spectrum was applied to the bearing position of the framework， and then the fatigue life cloud map of the framework was obtained. Because the fatigue life test cost of the frame is expensive and the experiment limitation is very strong， the simulation calculation in this paper provides a valuable method for solving the fatigue life of the bullet train bogie.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架;靜強(qiáng)度分析;載荷譜;疲勞壽命

Key words： truck frame;static strength analysis;load spectrum;fatigue life

0? 引言

隨著我國全行業(yè)科技水平的提高，我國高速動車組列車不斷推陳出新，行駛速度也不斷邁上新的臺階。因此對列車的安全性和可靠性也就提出了更高的要求。轉(zhuǎn)向架是軌道車輛必不可少的重要組成部分，其中的焊接構(gòu)架又在整個轉(zhuǎn)向架當(dāng)中起著承托其余部分的重要作用。長期在復(fù)雜多變的載荷作用下，構(gòu)架極易產(chǎn)生疲勞裂紋，對列車的長途安全行駛構(gòu)成威脅。因此對高速動車組轉(zhuǎn)向架的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測和分析非常必要，即可以為構(gòu)架的檢修周期提供理論依據(jù)，又能分析出疲勞薄弱點，著重關(guān)注。

1? 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度分析

目前我國對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析與疲勞強(qiáng)度分析，主要依據(jù)的是國外發(fā)達(dá)國家成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文的研究對象正是我國引進(jìn)歐洲技術(shù)進(jìn)行消化改后再造的和諧3號高速動車組。

根據(jù)UIC615-4的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，構(gòu)架的靜強(qiáng)度加載方法如圖1所示。

應(yīng)用Workbench軟件對構(gòu)架靜強(qiáng)度進(jìn)行分析。首先建立構(gòu)架的有限元模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。優(yōu)先使用六面體網(wǎng)格，其次選用四面體網(wǎng)格，逐個完成了轉(zhuǎn)向架裝配體的網(wǎng)格劃分。最終構(gòu)架整體模型離散成588017個節(jié)點，274171個單元。

根據(jù)UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)添加邊界條件，對構(gòu)架進(jìn)行靜力學(xué)計算，分別得出模擬運營工況和超常載荷工況的應(yīng)力云圖。其中超常載荷工況最大應(yīng)力值為297.08MPa，位置于側(cè)架上蓋板圓孔位置如圖4所示。模擬運營工況中最大應(yīng)力值為234.6MPa，最大應(yīng)力位置發(fā)生在軸箱定位座與下蓋板連接處，如圖5所示。兩種工況下的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。如圖2、圖3所示。

2? 構(gòu)架疲勞強(qiáng)度校核

目前疲勞計算尚未出現(xiàn)一種非常成熟的分析方法，因此經(jīng)典的Goodman疲勞曲線分析方法仍然廣泛使用。由于構(gòu)架模型較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)Goodman疲勞特性曲線評估點的選取原則，選定各載荷工況下應(yīng)力值變化較大處作為疲勞強(qiáng)度校核的評估點。根據(jù)模擬運營工況仿真得出的所有結(jié)果，選定工況5和工況9，選取其中應(yīng)力較大和截面形狀變化較大的6處作為評估點，并計算出繪圖所需的平均應(yīng)力δm和應(yīng)力幅值δa。評估點的選取位置如圖4所示。

經(jīng)計算，評估點平均應(yīng)力值和應(yīng)力幅值如表1所示。

應(yīng)用Goodman-Smith疲勞極限圖對所選的6個評估點進(jìn)行校核，校核點均在包絡(luò)線內(nèi)部，即疲勞強(qiáng)度滿足要求。如圖5所示。

3? 基于N-Code的疲勞壽命評估

3.1 有限元結(jié)果的讀入

超常載荷是車輛運行過程中的特殊工況，在正常行駛中出現(xiàn)次數(shù)較少;而模擬運營載荷工況是車輛運行中實際發(fā)生的載荷，屬于正常行駛中的常態(tài)，使仿真更加貼近實際應(yīng)用情況，故選取工況5作為疲勞分析的樣本代表，垂向力與橫向力分別單獨作用下的最大應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值237MPa，即滿足強(qiáng)度要求，將此計算結(jié)果導(dǎo)入N-CODE中。

3.2 載荷譜的求解

運用多體動力學(xué)仿真軟件UM，進(jìn)行剛?cè)狁詈险嚱！Ｍㄟ^剛?cè)狁詈宪囕v系統(tǒng)動力模型的仿真運行，可以得到車輛運行方向構(gòu)架一系彈簧座處的垂向載荷時間歷程曲線和橫向止擋等效橫向載荷時間歷程曲線。如圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，構(gòu)架一系彈簧座處的垂向載荷主要變化范圍為80kN～115kN，處于靜力學(xué)理論計算得到的垂向載荷變化范圍80kN～150kN之內(nèi);橫向止檔處的等效橫向載荷主要變化范圍為0kN～55kN，處于靜力學(xué)理論計算得到的變化范圍0～55kN之內(nèi)。可見，理論計算和仿真計算的誤差范圍得到了較好的控制。將上述的載荷時間歷程導(dǎo)入后續(xù)的疲勞分析軟件中，為構(gòu)架疲勞壽命的計算提供依據(jù)。

3.3 疲勞壽命的計算

運用N-Code軟件對構(gòu)架進(jìn)行疲勞壽命分析，在Workbench界面與N-code連接好后，靜力學(xué)分析結(jié)果文件會自動導(dǎo)入到FEInput模塊中，相應(yīng)的材料屬性也自動導(dǎo)入到對應(yīng)模塊中，再將載荷譜的數(shù)據(jù)文件經(jīng)ASCIITranslate工具轉(zhuǎn)換為.s3t格式文件導(dǎo)入TSInput模塊中，準(zhǔn)備好以上三種主要原文件后，對本文所研究的模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

由以上疲勞壽命云圖可知，構(gòu)架所有位置均大于UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1000萬次，其中，二系空氣彈簧座孔附近最危險，壽命最小值為3.68e8次。這一結(jié)果也與前文所做靜力學(xué)分析結(jié)果相對應(yīng)。

4? 結(jié)論

本文以和諧號CRH380B動車轉(zhuǎn)向架為研究對象，首先進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析和經(jīng)典疲勞強(qiáng)度分析。然后運用UM多體動力學(xué)仿真軟件，將求得的動態(tài)載荷譜施加于構(gòu)架的承載位置上，經(jīng)聯(lián)合仿真所得結(jié)論如下：

①構(gòu)架的靜強(qiáng)度與疲勞壽命均滿足UIC 615-4標(biāo)準(zhǔn)要求。

②Workbench、UM和N-Code三個軟件的聯(lián)合仿真也為以后構(gòu)架疲勞壽命的估算提供了一種可以借鑒的方法，同時也為后續(xù)構(gòu)架各部位的檢修周期提供了一定的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]UIC615-4-2003，Motive power units-bogies and running gear-bogie frame structure strength tests[S].

[2]趙永翔，楊冰，彭佳純，張衛(wèi)華.鐵道車輛疲勞可靠性設(shè)計Goodman-Smith圖的繪制與應(yīng)用[J].中國鐵道科學(xué)，2005（06）：8-14.

[3]閆偉.高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞壽命分析及優(yōu)化設(shè)計[D].石家莊鐵道大學(xué)，2018.

[4]王鈞.209P型轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)疲勞研究[D].蘭州交通大學(xué)，2018.