方 吉,朴明伟,张 军,兆文忠

(大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁大连116028)

目前我国铁路货车正在大量使用三大件式转K 6转向架,转K 6转向架作为一种新型转向架,与以往的转K 2和转8A转向架相比结构和性能都有所改进,一系采用八字型橡胶垫大大减少了侧架所承受的冲击力,但由于货车载重量和运行速度的提高,载荷工况更加复杂,使得转向架的疲劳问题更难预测[1,2]。

传统的转向架疲劳寿命预测主要是基于实测的载荷谱,然后结合有限元静态强度计算的结果进行疲劳预测。但获得实测载荷谱需要花费很多的人力和物力,使整个产品的设计周期延长,且没有考虑动态载荷对结构动应力的影响。基于刚柔耦合仿真的货车转向架疲劳预测,可以考虑激扰频率对结构振动的影响,能节约设计成本,缩短产品开发周期。

本文首先在CAD软件中根据转K 6转向架的结构尺寸建立摇枕和侧架的三维几何模型,然后利用有限元软件对其进行有限元网格划分,进行模态计算,并生成模态中性文件(.MNF),把摇枕和侧架的模态中性文件导入到动力学仿真分析软件ADAMS/Rail中,建立C80敞车的刚柔耦合动力学仿真模型。以轨道不平顺为激扰源,进行动力学仿真计算,然后把仿真得到的模态坐标时间历程DAC文件导入到NASTRAN软件中,利用模态综合法进行动应力恢复,并获得摇枕和侧架上每个节点的动应力时间历程,再结合由试验测得的B+级钢疲劳特征S-N曲线,对转K 6转向架摇枕和侧架的疲劳寿命进行预测。

1 动应力恢复方式的选取

动应力恢复方式有静态方式(Static)、模态方式(M odal)和子结构模态综合方式(CMS)。在3种动应力恢复方式中,CMS方式考虑了柔性体在约束作用下所形成的静态变形特征。CMS模态是由如下两个子集组成:固有模态和约束模态。正则化后的约束模态反映了柔性体在几何约束作用下所形成的主要静态变形特征,因而称为特征约束模态。因此,在CMS应力恢复过程中,动应力是由约束力确定的,包含了准静态和动态载荷成分,这有利于结构柔性体的动力作用影响分析,所以本文采用CMS方式进行动应力恢复[3]。

2 创建柔性体模型

首先建立转K 6转向架摇枕和侧架的有限元模型,摇枕采用6面体单元,划分了106 832个单元,136 552个节点,如图1所示。侧架采用4面体单元,划分了406 828个单元,107 065个节点,如图2所示。

选取约束自由度时,主要考虑柔性体的边界条件,例如在货车运行过程中,侧架要和承载鞍、摇枕交叉杆及斜楔等发生相互作用,相互之间的动作用力相对于侧架来说是外界的激扰载荷。应该在相互作用面上设定约束自由度,为了缩减自由度,选取约束自由度也是有取舍的,是根据经验和外载荷大小及结构的刚度来选取的。

通过模态分析,获得摇枕和侧架的模态,并生成柔性体文件。摇枕一共取37阶模态的前6阶为刚体模态,后31阶为约束模态和自由模态。由于侧架受力条件比较复杂,所以一共取了60阶模态[4](见表1)。

3 建立刚柔耦合动力学仿真模型

首先利用前面生成的摇枕和侧架柔性体模型建立刚柔混合动力学仿真模型如图3所示,其中车体采用C80敞车重载时的车体参数,转向架为转K 6转向架的刚柔混合模型。

图1 摇枕有限元模型及约束模态的选取

图2 侧架有限元模型及约束模态的选取

表1 摇枕和侧架的前4阶模态列表 Hz

图3 C80敞车刚柔耦合动力学模型

4 准静态计算应力与试验结果对比

为了验证所建刚柔耦合动力学模型的正确性,有必要与静态强度试验结果进行对比,由于强度试验是根据TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的规定设定载荷,为了保证载荷工况的一致性,首先按照侧架静强度试验施加载荷349 kN,折合车体质量为142 t。按车体142 t在ADAMS/Rail中进行仿真计算,让车体静止停放在轨道上,仿真时间10 s(图4、图5)。

图4 侧架最大主应力位置1

图5 侧架最大主应力位置2

按照前面的方法针对摇枕的静态强度计算载荷443 kN,折合到车体为90.3 t。静置在轨道上,仿真时间 10 s(图 6、图 7)。

通过仿真计算的结果与试验测得转K 6转向架最大主应力对比的表2可以看出,利用模态叠加法获得的准静态应力计算结果与试验结果在最大应力出现的部位上是一致的,数值上略有差别。但差别不大,总的来看结果还是令人满意的。

图6 摇枕最大主应力位置1

图7 摇枕最大主应力位置2

表2 准静态动应力恢复与试验最大主应力对比

5 线路仿真及动应力恢复

根据我国目前货车提速120 km/h的要求,以C80敞车为例进行动力学仿真,仿真速度取120 km/h,由于我国京沪、京广、京哈3大干线轨道谱轨向不平顺波长在1～30m范围内,其中7～30m波长范围内与美国5级谱相当,高度不平顺在整个波长范围内都比美国5级谱好,比美国6级谱要差。为保守起见取美国5级轨道不平顺作为激扰进行动力学仿真[5]。仿真结束后,提取模态时间历程文件,并进行动应力恢复。通过热点分析得到最大应力发生在22 s,查看第22 s动应力恢复结果如图8、图9。

6 疲劳寿命分析

图8 侧架动态高应力区

图9 摇枕动态高应力区

由于转K 6转向架采用的是B+级钢铸造,根据B+级钢的试验数据,利用升降法进行处理,获得存活率为P=50%时的S-N曲线,并采用Haibach提出的在疲劳极限以下部分的S-N曲线在对数坐标下按-1/(2m-1)的斜率延长,其对应的表达式为:

由于B+级刚的S-N曲线(图10)是在对称循环条件下测得的(应力比R=-1,应力均值为零,R=S min/S max),而摇枕和侧架所受的载荷基本上是非对称的随机载荷,为此,在计算过程中引入Goodman经验公式将实际工作应力级转换为对称循环应力级,应力谱的转换公式如下:

图10 试验获得的B+级钢的S-N曲线

图11 摇枕的寿命云图及疲劳危险部位

图12 侧架的寿命云图及疲劳危险部位

式中 Sa为应力幅值;Sa(R=-1)为循环应力均值为零时的应力幅值;Sm为应力均值;Su为材料的拉伸极限,Su=545MPa。

根据M iner线性积累损伤原则,首先求得单个应力谱块在运行里程内的损伤(无量纲),然后对其求和,再取倒数得到寿命。

由于空车的载荷幅度比重车要小很多,重车运行情况决定着转K 6转向架的疲劳寿命,因此只需要分析重车的运行里程数,就能获得转K 6转向架的疲劳寿命(图 11、图 12)。

经验表明,在大多数情况下,铸件疲劳裂纹始于有明显铸造缺陷或局部应力集中的区域。而有数据表明铸件中Kf=1.5～2的中等缺陷占总样本的比例最大,属于最常见的缺陷等级[6]。但在1.5到2之间到底取多少为好,还不确定,因此本文把Kf在1.5～2之间进行了摇枕和侧架的疲劳计算,并绘制出K f与寿命的关系图加以分析(图13)。

图13 摇枕和侧架的疲劳寿命与应力集中系数 K f之间的关系曲线(存活率95%)

7 结论

(1)通过与试验对比发现,基于合理的刚柔耦合模型通过CMS动应力恢复法获得的动应力与试验数据基本吻合。

(2)经过对比分析,摇枕寿命比侧架高,可能是因为侧架载荷变化比较剧烈,经过一系减振后摇枕载荷工况相对较好,根据相关文献应力集中系数K f大多数取1.55,根据计算侧架疲劳寿命为463万 km,摇枕为2 013万km。

(3)基于刚柔混合模型通过模态叠加法获得的动应力可以直接进行疲劳计算,对于铸件来说非常方便,可以直接对整个构件进行全范围的疲劳评估,获得疲劳区域及其寿命。

[1]邬平波,温松涛,王建斌,等.提速货车转 K2型转向架侧架疲劳寿命预测[J].中国铁道科学,2009,30(1):91-94.

[2]刘德刚,杨爱国,李 铁.转8A型转向架侧架疲劳寿命分析[J].铁道车辆,2003,41(10):11-15.

[3]朴明伟,方 吉,赵钦旭,等.基于刚柔耦合仿真的集装箱车体振动疲劳分析[J].振动与冲击,2009,28(3):1-5.

[4]任万勇,罗冠炜.转8A货车转向架重要承载部件的模态试验与分析[J].工程力学,1999,(3):848-851.

[5]陈 果,翟婉明,左洪福,等.仿真计算比较我国干线谱与国外典型轨道谱[J].铁道学报,2001,23(3):23-26.

[6]白淑萍.K 6转向架摇枕裂纹原因分析及改进措施[J].铁道技术监督,2007,35(3):20-24.