李孟梁 董曾文 罗宝

摘  要：根据欧盟关于铁道车辆的标准（ORE B12/RP17）给出的多轴应力转化为单轴应力的方法，对某轻轨车辆铝合金车体全车体结构进行疲劳强度分析，同时实现车体疲劳强度可视化。结果表明，车体结构疲劳强度满足设计要求。

关键词：铝合金车体;疲劳强度;可视化

中图分类号：TG146        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）13-0082-03

Abstract： According to the method of transforming multi-axial stress into uni-axial stress set by the European Union Standard for Railway vehicles （ORE B12/RP17）， the fatigue strength of the whole body structure of an aluminum alloy car body of a light rail vehicle is analyzed， and the visualization of fatigue strength of the car body is realized at the same time. The results show that the fatigue strength of the car body structure meets the design requirements.

Keywords： aluminum alloy car body; fatigue strength; visualization

引言

为保证车辆的安全性和可靠性，需要对车体结构进行疲劳强度分析，以保证车体在寿命期内的正常使用要求。

在现有承载结构强度分析的商业软件中，仅能获得结构应变、应力和位移等分析数据与云图显示结果。在实际工程应用中，需要根据相应的强度评定准则，对应力结果处理，以判断是否满足设计要求。对于得到的安全系数、材料利用度等结果，现有商业软件无法直接实现其可视化。

本文采用疲劳极限法对某轻轨车辆铝合金车体结构进行疲劳强度分析，并实现分析结果的材料利用度的可视化。

1 疲劳强度分析方法

本文基于标准ORE B12/RP17给出的多轴应力转化为单轴应力的方法，进行疲劳强度分析。UIC 510-5标准对这一转化过程進行了详细描述，其关键在于确定最大主应力值及其方向向量，核心运算为二阶应力张量矩阵的乘法运算，具体过程不再赘述。

2 车体结构及有限元模型

2.1 车体结构简介

该轻轨车辆车体由大型中空铝合金型材组焊而成，为筒型整体承载结构，具有较好的截面刚度特性，车体结构具有较好的整体刚度和良好的防腐性能。车体结构主要由底架、侧墙、顶盖、端墙和司机室骨架组成。

2.2 车体有限元模型

通过Hypermesh软件建立车体有限元模型，车体结构离散为壳单元，对于大型安装设备，在设备重心处施加集中质量单元并通过rbe3柔性单元与车体连接，对于内装、乘客等，在底架地板均匀施加质量单元。图1为车体有限元模型。不同的母材和不同类型的焊缝，均有不相同的疲劳许用应力，为方便后续疲劳强度计算，在前处理中，车体材料和焊缝均需要分类。图2为车体结构的材料分布图。车体焊缝使用杆单元标记，不同类型的焊缝存放于不同组件中，如图3所示。

2.3 车体疲劳载荷

车体疲劳强度计算载荷工况主要依据欧洲标准 EN 12663-1-2010确定，主要考虑以下载荷工况。

工况1：正常运行载荷状态（AW2）编组列车垂向载荷，垂向加速度a=1±0.15g。

工况2：正常运行载荷状态（AW2）编组列车横向载荷，横向加速度a=±0.15g。

工况3：正常运行载荷状态（AW2）编组列车纵向载荷，根据列车启动和制动确定。

工况4：正常运行载荷状态（AW2）编组列车扭曲载荷，根据标准EN14363确定。

工况5：抗侧滚扭杆载荷，根据标准EN 13749确定。

还需要对三个方向的加速度载荷和线路扭曲载荷进行叠加组合，得到最终计算工况。

3 疲劳强度分析及可视化

3.1 疲劳强度分析

在静强度工况计算完成后，进行疲劳强度计算，主要包含以下步骤：

（1）获取疲劳强度计算所需数据，包含模型参数和各工况下节点应力，其中，模型参数主要是单元信息（所属的材料、包含的节点）。

（2）依据节点所属的单元材料或焊缝类型，赋予节点材料信息，同时，根据各工况的应力结果，求取最大应力和应力比。

（3）依据材料种类或焊缝类型，以及应力比，确定许用应力，求取材料利用度。

3.2 结果及其可视化

ANSYS后处理提供了修改结果的功能，通过APDL命令DNSOL，将疲劳数据赋值。用材料利用度将原有的SXZ即XZ方向的剪切应力覆盖，然后再对SXZ进行云图显示，就可以得到材料利用度分布云图。

车体结构疲劳强度分析结果的材料利用度分布云图如图5和图6所示。可以看出，车体结构最大材料利用度为0.616，出现在圆弧顶盖与空调平台的过渡筋板焊缝处。除此之外，枕梁区域、抗侧滚安装座、门角和窗角区域，材料利用度也相对大些。

4 结束语

使用主应力矩阵求解应力投影值，可以简化计算程序和提高计算效率。以云图显示材料利用度，可以直观的看出车体结构疲劳强度的分布和具体的材料利用度数值，提高疲劳强度分析结果的可视性。

整个车体结构的最大材料利用度为0.616，小于1，说明车体疲劳强度满足设计要求。根据车体材料利用度，可以针对性地对材料利用度大的区域进行结构优化;对于材料利用度小的地方，可以综合考虑其他设计要求，进行轻量化设计。

参考文献：

[1]郑李雄，蒋鹏飞，米彩盈.铁道车辆焊接结构疲劳强度网格灵敏度与可视化研究[J].现代制造工程，2016（5）：93-98.

[2]侯士通，王莹.基于ANSYS二次开发的大跨桥梁疲劳寿命与失效概率的可视化技术[J].江苏大学学报（自然科学版），2017，38（3）：349-354.

[3]EN 12663-1. Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies [S]. 2010.

[4]ERRI B12/RP17. Program of tests to be carried out on wagons with steel underframe and body structure （suitable for being fitted with the automatic buffing and draw coupler） and on their cast steel frame bogies [R]. 1997.

[5]UIC 510-5， Technical approval of monobloc wheels-Application document for standard EN 13979-1[S]. 2007.