基于BS 7608标准及利用结构对称性对转向架构架疲劳试验的强度评估

2019-11-11王腾飞肖绯雄

铁道机车车辆 2019年5期

王腾飞，肖绯雄，肖茂

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

随着我国铁路客货列车高速化的发展，机车车辆的运行工作环境不断恶化，尤其是转向架构架，在其服役不久就发生疲劳断裂。对于转向架构架疲劳强度的计算，国际铁路联盟UIC 515-4[1]标准规定了垂向载荷、横向载荷、扭曲载荷及各载荷静态、准静态、动态值，且表明了各载荷的加载方式和循环次数。

BS 7608[2]标准是英国《钢结构疲劳设计和评定实用规程》，该标准将焊接结构细节分为10个等级，并给出了相应的10个焊接结构细节相应的S-N曲线。S-N曲线不仅考虑了局部应力集中，尺寸与形状的最大不连续值，而且还考虑了应力方向、冶金影响、残余应力、疲劳裂纹形状，以及某些等级下的焊接工艺和焊后处理方法。

将UIC 515-4规定的载荷谱通过有具有对称结构的有限元分析得到关键点的应力谱，依据BS 7608标准中提供的焊接接头疲劳性能参数，为构架关键部位进行疲劳强度评估。

1 构架疲劳试验载荷

1.1 疲劳计算载荷

UIC 515-4标准中使用垂向载荷Fz、横向载荷Fy和扭曲载荷Fw模拟转向架构架疲劳载荷。垂向载荷由静态载荷Fz及周期循环的准静态载荷Fzq和动态载荷Fzd组成，横向载荷由周期循环的准静态载荷Fyq及动态载荷Fyd组成，其载荷大小随时间变化规律如图1所示。

UIC 515-4标准将疲劳试验加载分为3个阶段。第1阶段：动态载荷循环次数为6×106次。第2阶段：动态载荷循环次数为2×106次，垂向与横向静载荷值不变，准静态载荷值与动载荷值为第1阶段的1.2倍。第3阶段：动态载荷循环次数为2×106次，垂向与横向静载荷值不变，准静态载荷值与动载荷值为第1阶段的1.4倍。

图1 构架疲劳试验各载荷加载示意图

1.2 载荷等级划分

选取线路状况为：垂向与横向准静态载荷每循环1次，垂向与横向动载荷循环20次，垂向载荷与横向载荷的频率与相位均相同，左、右曲线准静态与动态载荷模拟次数相同，扭曲载荷循环次数为垂向与横向动态载荷的1/10。用雨流计数法对上述载荷循环过程计数，构架每阶段载荷等级可分为7级[3]，得到的载荷谱见表1。

表1 构架第1阶段疲劳试验载荷谱

注：第2阶段与第3阶段准静态与动态载荷值分别为表1中1.2与1.4倍，循环次数为表1 1/3。

2 疲劳强度评估方法

2.1 名义应力

名义应力是依据材料力学用简单公式进行计算母材受载横截面的名义应力，即轴向力除以横截面，弯矩或扭矩除以有关截面模量[4]。BS 7608标准中焊接结构细节的S-N曲线是基于名义应力创建的，忽略焊接结构接头应力集中造成的影响。

2.2 S-N曲线

BS 7608标准根据应力范围(Δσmax-Δσmin)评定焊接接头疲劳特性，且考虑了应力范围低于疲劳极限(循环次数N=107失效时对应的应力范围)对疲劳累计损伤的贡献。在N=107时，S-N双对数曲线由斜率m变化到m+2，S-N曲线如图2所示。

图2 BS典型的双斜率Δσi-N曲线

BS 7608标准定义疲劳损伤计算公式如式(1)～式(2)：

(1)

(2)

式中：Δσ0为N=107对应的应力范围;Δσi为名义应力范围;ni为名义应力范围Δσi在应力谱中出现的循环次数;Ni为名义应力范围Δσi在S-N曲线中对应的循环次数;m为S-N曲线的斜率。

3 结构对称性的利用

在有限元分析过程中，有限元的计算时间和节点数有很大的关系，因此在保证计算精度的条件下，不宜采用过多的节点，用来节约时间资源。当结构具有对称性时，可以利用此特点来减少计算的节点数[5]。结构的对称性是指结构的几何形状和支撑关于某轴对称，同时截面和材料性质也关于此轴对称。具有对称性的结构依据载荷情况的不同，可分为轴对称问题，对称问题，逆对称问题和周期对称问题。

3.1 对称载荷及反对称载荷

对称载荷是指结构绕对称轴对折后，左右两部分的载荷作用点相重合，方向相同，荷载数值相同。根据弹性力学对称性原理，受载后结构的变形必然也是对称的，同时结合变形协调原理，可以得出在对称面的位移边界条件为UY=0、ROTX=0、ROTZ=0(假设对称轴为Y轴)，如图3所示。

图3 对称载荷的有限元划分

反对称载荷是指结构绕对称轴对折后，左右两部分的载荷作用点相重合，方向相反，荷载数值相同。根据弹性力学对称性原理，受载后结构的变形必然也是反对称的，同时结合变形协调原理，可以得出在反对称面的位移边界条件为UX=0、UZ=0、ROTY=0(假设对称轴为Y轴)，如图4所示。

图4 反对称载荷的有限元划分

3.2 非对称载荷

在一般情况下，外载荷通常是不具备对称性或反对称性的非对称载荷。这时，可利用线弹性范围内的可叠加原理，将非对称载荷分解为对称载荷及反对称载荷，然后按照对称性与反对称性进行叠加，就可以得到非对称载荷下的结构的位移及应力，如图5所示。

图5 非对称载荷的划分

4 算例

对某型地铁列车转向架构架进行有限元强度分析，依据UIC 515-4标准中的计算公式，第1阶段作用于构架侧梁上的垂直载荷为Fz=118.0 kN，Fzq=11.8 kN，Fzd=23.60 kN；横向载荷为Fyq=39.3 kN，Fyd=39.3 kN，扭曲载荷按照轨道扭曲量的5‰。第2阶段与第3阶段的载荷分别为第1阶段的1.2与1.4倍。

4.1 构架有限元建模

BS 7608对焊接结构进行疲劳分析过程中，确定疲劳寿命时只需考虑循环主应力的范围，忽略平均应力的影响。在弹性力学空间问题基本理论[6]中指明，若已知某点的应力分量，则该点的主应力是确定的且不随坐标的改变而改变。对于表1中各不同方向的载荷，基于弹性力学叠加原理，并结合Ansys后处理模块中Load case功能，可同时将不同方向载荷产生的在整体坐标系下的各应力分量进行相应线性叠加，得到某点在组合载荷下的应力分量状态，进而可以继续求解出唯一确定的主应力值及其方向，故可以把表1的载荷值等效转变为垂向载荷范围ΔFzd、ΔFzq，横向载荷范围ΔFyd、ΔFyq，扭曲载荷范围ΔFw，简化的载荷谱如表2。同时将结构对称性的理论应用于构架各组载荷[7]，用四面体单元solid95对构架进行有限元离散，得到有限元模型如图6。

表2 第1阶段简化载荷谱

图6 构架有限元模型

4.2 边界约束条件

在有限元计算模型中，由于此例采取实体单元建模，故对于垂向载荷ΔFz只需在对称面(YOZ，XOZ)建立对称约束(UX=0，UY=0)。对于横向载荷ΔFy分为对称载荷与反对称载荷，对称载荷需在对称面(YOZ，XOZ)建立对称约束(UX=0，UY=0)，反对称载荷需在对称面(YOZ，XOZ)建立反对称约束(UX=0，UX=0且UZ=0)。扭曲载荷ΔFw作用于轴箱弹簧处，分为对称载荷与反对称载荷，对称载荷需在对称面(XOZ)建立对称约束(UY=0)，反对称载荷需在对称面(XOZ)建立反对称约束(UX=0且UZ=0)。

4.3 疲劳强度的评估

对构架的上下盖板焊缝及母材进行疲劳强度评估，将评估点的焊接结构细节与BS 7608标准中提供的结构细节对比，选择合适的焊缝等级进行疲劳寿命计算[8-9]，选取焊缝的疲劳强度等级为F，母材的疲劳强度等级为C，焊接接头结构分类细节选取说明如表3所示。根据UIC 515-4标准对构架疲劳试验结果的说明，即在第3阶段试验时，如果出现不影响工作的小裂纹也是允许的，同时在依据BS 7608标准中焊趾打磨对改善焊缝的影响，即通过局部机械加工或打磨焊趾，可使S-N曲线疲劳强度提高30%，可得出焊缝疲劳强度等级参数，如表4所示。