侧滚、扭转载荷与铁道车辆应力响应关系的研究＊

2012-11-27谢基龙

铁道机车车辆 2012年6期

李浩，谢基龙

（1 北京航空精密机械研究所，北京100076；2 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044）

铁道车辆在线路上运行，车体主要受到纵向拉伸（压缩）、垂向浮沉、侧滚、扭转几种载荷，从而引起车体结构的疲劳损伤。就不同载荷各自引起应力响应大小而言，侧滚、扭转载荷并不最为明显，但由于侧滚和扭转载荷在线路运行中出现频次较多，且部分载荷响应部位同纵向，垂向载荷的载荷响应部位重合，根据线性累计损伤理论［2-4］，多种载荷在这些部位产生的损伤是叠加的，使得这些部位损伤情况较为恶劣，有些部位可能成为车体主要疲劳破坏点，因此，侧滚、扭转载荷对于车体疲劳损伤的影响不容忽视，而国内目前关于侧滚、扭转载荷对车体疲劳损伤的研究较少，对于侧滚、扭转载荷与车体疲劳寿命之间内在联系的分析结果不多。

本文利用ANSYS有限元分析软件，以C80B型车体为例，分析侧滚、扭转载荷与车体应力响应之间的内在联系。通过该方法分析得出的结果，结合试验室试验或现场测试得出的实际载荷数据，可以得出侧滚、扭转载荷同车体结构疲劳之间的内在关系，为铁道车辆的疲劳寿命分析提供理论依据与技术支持。

1 理论基础

1.1 侧滚载荷与扭转载荷

车体垂直载荷的作用线通常在摇枕中部。在通过曲线或是三角坑等不平顺轨道时，车体在惯性力的作用下，会发生横向或滚摆运动，旁承会产生不同程度的载荷增减，则此时车体发生了侧滚和扭转。对于货车车辆，如果车体同侧的两个旁承载荷同时增加或者减少，则表征车体发生了侧滚；如果同侧的两个旁承载荷一个增载另一个减载，则表征车体发生了扭转［5］。车体俯视图如图1。

图1 车体俯视图

图中若1、3位旁承增（减）载，2、4位旁承减（增）载，则此时车体发生侧滚；若1、4位旁承发生增（减）载，2、3位旁承发生减（增）载，则此时车体发生扭转。

在试验室试验或实际测试中，通过测力摇枕旁承处的载荷传感器，可直接得到旁承载荷。

由于车体的侧滚和扭转在车辆运行中会随线路情况随机出现，耦合在一起。为了识别侧滚载荷和扭转载荷，必须把侧滚载荷和扭转载荷通过一定的算法识别出来［6］。

由于车辆载荷前后是对称或十分接近对称的，对于工程问题可以认为：在1，3位旁承一侧，P1+P3为去除了扭转载荷的侧滚动载荷，P1-P3为去除侧滚载荷的扭转动载荷。其中P1，P3分别表示1，3位旁承上测得的垂向载荷。同理，可得2，4位旁承一侧的侧滚和扭转动载荷。

因此，我们可以用下式计算侧滚载荷和扭转载荷：

其中P为折算到1位（或3位）旁承上的侧滚载荷；Pz为折算到1位（或4位）旁承上的扭转载荷；P1，P2，P3，P4分别表示1，2，3，4位旁承上测得的垂向载荷。

在得出扭转载荷后，利用下式得出扭矩：

式中l为单个旁承到其所在摇枕上心盘的中心距离。

计算结果为正时，表示车体的1、3位旁承一侧处于增载侧滚状态，或是逆时针扭转状态（在车体1位端观察）；结果为负时，表示车体的1、3位旁承一侧处于减载侧滚状态，或是顺时针扭转状态（在车体1位端观察）。

1.2 加载方式

（1）侧滚载荷

当车体发生侧滚时，车内货物偏载，对于侧墙将产生一个梯度分布的载荷。以心盘为支点，梯度载荷对该支点的力矩应与增载旁承上的载荷对该支点产生的力矩平衡。因此，本文在计算时采用以下模型进行计算，如图2所示。

图2 侧滚计算原理图

梯度载荷的大小同侧墙高度成线性关系，端墙顶部的载荷大小为0，则梯度载荷的函数为：

根据力矩平衡，则有：

式中Q为单侧旁承侧滚时的最大增减载，L为车体同一端两个旁承横向中心距；h0为车体侧墙高度。将式（4）代入式（5），则有：

解出k，也就确定了梯度载荷的分布。

（2）扭矩

在进行有限元计算时，根据力矩平衡，将扭矩换算成旁承力，施加于左、右两侧旁承上，一侧旁承力垂直向上，另一侧旁承力垂直向下。计算公式如下：

其中F为施加于车体一侧的旁承力。

2 建模与加载

2.1 建模

本文以C80B型车体为例进行计算。C80B型车体的结构参数［8］见表1。

表1 C80B型敞车车体结构参数

建模时全部采用板壳单元Shell63对结构进行离散。根据计算需要，选取半车模型，共离散为56 821个单元，54 046个节点。车体有限元模型如图3

图3 车体有限元模型图

2.2 加载

（1）侧滚载荷加载

侧滚载荷加载因车体结构为前后对称，心盘处施加弹性全约束，左旁承施加垂向约束，对称面上施加对称约束，侧墙上施加梯度载荷。

根据美国AAR机务标准手册《货车设计制造规范》中列出的90.7t高边运煤敞车在运行中可能出现的最大增减载有关数据［7］，经过吨位换算及单位换算，得出单侧旁承最大增减载Q为38t，由于采用半车模型，则在计算时载荷减半，取19t。L，h0属于车体尺寸参数。换算可得，L为1 858mm，h0为2 887mm，代入式（6），求出k=-0.043 14N／mm，也就确定了此时的梯度载荷。假设左旁承增载，右旁承载荷为零。加载后的模型如图4。