基于刚柔耦合系统的关键零部件动应力仿真和疲劳寿命计算

1、基于刚柔耦合系统的关键零部件动应力仿真和疲劳寿命计算试验研究铁道车辆第44卷第1期2006年1月文章编号:10027602(2006)01000606基于刚柔耦合系统的关键零部件动应力仿真和疲劳寿命计算陆正刚,胡用生(同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海200331)摘要:应用刚柔耦合系统动力学方法,将铁道车辆关键零部件如客车转向架构架,货车转向架交叉杆组成等作为柔性体,通过模态综合方法融合在车辆多体动力学模型中,再通过车辆动力学仿真分析,获得关键部件上危险点的动应力.根据整个寿命周期内车辆不同运用工况的组合,获得相应危险点上的动应力谱,最后应用疲劳损伤准则,进行疲劳寿命计算.作为算例,应用

2、该方法对配装转K6型转向架的交叉杆组成进行了疲劳寿命评估.关键词:铁道车辆;刚柔耦合系统;动力学仿真;疲劳计算中图分类号:U270.12文献标识码:A随着铁路车辆运行速度的不断提高,转向架构架等关键零部件出现了裂纹等问题,影响了行车安全.在解决所出现问题的同时,相关技术人员对过去的设计过程进行了反思.过去,采用多刚体系统模型来预测和评估铁道车辆的运动稳定性,运行平稳性和安全性,采用静强度计算和周期性疲劳载荷进行模拟疲劳评价车辆在运动过程中的结构弹性振动的动应力水平和其对疲劳强度及寿命的影响,还有待完善与深入的研究.应用柔性多体动力学n,结构动力学等领域的最新研究成果,开展基于刚柔耦合系统模型的

3、铁道车辆动力学问题的研究,将以刚体动力学为主的轨道车辆动力学向轨道车辆刚柔耦合系统动力学方向发展l_4是今后的研究方向.本文将采用刚柔耦合系统动力学分析方法,以运行速度为120km/h,配装转K6型转向架的敞车为研究对象,将有限元与多体系统动力学相结合,计算出交叉杆上任一点的动应力时间历程和任一时刻结构的动应力分布,从而确定危险点的位置(区域),并对主要结构的疲劳寿命和可靠性进行评估.1铁道车辆刚柔耦合系统动力学方程及模态应力计算在多体系统动力学中引入拉格朗日函数L一丁U,对具有r个完整约束C(,),不独立广义坐标的铁道车辆柔性多体系统的拉格朗日方程可以写成:收稿日期:200507?22作者简

4、介:陆正刚(1966一),男,副教授.?6?d(0L)一0L+0F+一Q一.l)c(,)一0式中:拉格朗日乘子;不独立任一点的广义坐标列向量;Q非有势力的广义力矩阵.在小变形条件下,应用虎克定律,得到弹性体内任一点的应力(f)与广义模态坐标q(t)(il,2,忌)之间的关系:.()一H?D?q()(2)式(2)的应力仅与模态坐标有关,称之为模态应力.由于矩阵H,D,仅与结构有关,是时不变的矩阵,因此,从理论上讲,通过刚柔耦合动力学仿真分析,只要确定广义模态坐标向量q(f)(il,2,Oo)的时间历程,即可以确定柔性体上任一点的动应力时间历程.2铁道车辆关键零部件疲劳寿命及可靠性评估方法为了获得

5、疲劳损伤的可靠数据,必须考虑车辆在整个运用周期内的运用条件,包括线路,运行速度与载荷等,具体的如通过道岔个数,曲线半径大小,相应运行速度和数量,直线运行速度分布和运行里程,空重车比例等.为此,可以将整个寿命周期分成不同的运用条件来考虑.首先是装载状态即空车与重车的比例,其次是直线和曲线的比例,然后是各运行速度级的比例,最后考虑到通过道岔,轨道接头等特殊线路的数量等.取典型直线,曲线,道岔等线路条件(包含接头和基于刚柔耦合系统的关键零部件动应力仿真和疲劳寿命计算陆正刚,胡用生不平顺等),按照不同的运行速度和空重车状态分别进行仿真,对每种工况进行模态应力计算,按照雨流统计原理计算应力循环的Mark

6、ov矩阵,计算各工况下应力循环的疲劳损伤,最后根据曲直比例,空重车比例和道岔个数等来进行结构疲劳寿命计算.对车辆系统的多工况分别进行计算时,应力循环时,分别统计每个工况下的运用里程L和该工况下的应力循环次数R(,d).在一个完整的载荷工况周期内,运用里程的计算公式见式(3),循环次数计算公式见式(4):L一L(3)i=1R(d,d)一>R(吼,d)(4)通过对一个完整的载荷工况运用周期进行疲劳损伤研究,确定周期载荷内结构的疲劳损伤累积量,再与结构的疲劳损伤累积强度K比较,即可确定结构的疲劳寿命(运用里程)以及疲劳寿命可靠度.按照线性疲劳累积损伤准则线性Miner疲劳损伤理论和结构

7、材料的SN曲线,将非对称应力循环转化为零均值的等效应力循环,再运用线性Miner疲劳损伤理论进行疲劳失效的评价.对线路随机激励下的车辆系统,其结构上任一危险点的应力一时间历程一般是随机变幅的,其疲劳寿命的评估应建立在随机疲劳累积损伤准则的基础上,运用等幅疲劳试验数据和随机疲劳应力谱来预测相应的疲劳寿命的概率分布(可靠性预测).应力循环总损伤的分布是进行疲劳寿命计算和可靠性设计的前提,由于总损伤量是各次应力循环损伤率分布形式有多种,如高斯分布,瑞利分布,weibul1分布和指数分布等.因此,针对统计样本,对一次应力损伤的概率分布函数应进行概率分布检验,以保证假设的概率分布符合要求.采用刚柔耦合系

8、统动力学方法进行关键零部件动应力仿真和疲劳寿命计算的程序是:首先,应用有限元方法建立关键零部件分析模型,采用模态综合方法进行结构振动的模态综合,并融合在整车动力学模型中;然后,通过对典型运用工况进行刚柔耦合系统动力学仿真,确定动应力分布和危险点处的动应力时间历程,条件许可时,将仿真计算结果与现车试验数据进行比较,以进一步修正和优化计算模型;最后,按照全寿命周期的运用工况进行仿真计算,根据危险点的应力一载荷矩阵,应用频次和材料及结构的SN曲线,进行疲劳寿命计算和可靠性分析.3货车转向架交叉杆组成动应力仿真及试验结果比较25t轴重交叉支撑货车转向架在左右侧架之间采用了交叉杆来提高三大件式转向架的抗

9、菱刚度.侧架交叉支撑技术从l996年在我国21t轴重的转K2型转向架上运用以来,转向架的最高商业运行速度达到了l20km/h,运用情况表明其动力学性能较优.然而,交叉杆的疲劳寿命一直是关注的焦点,是杆处理成弹性体,其他部件处理成刚体,组成刚柔耦合系统,进行动力学分析计算,并得到交叉杆的应力变化情况.图l为研究交叉杆动应力的仿真模型,交叉杆为拟物体(在端部接头中心处,与周围节点刚性连接)和和参数选择见文献4.图1转K6型转向架分析模型交叉支撑装置的有限元分析模型见图2,图3为采用模态综合方法计算得到的交叉杆第1阶第5阶模态.图2交叉杆有限元模型研究表明:在对交叉杆进行动应力仿真时,为了提高交叉杆

10、中间关键危险点的动应力水平的可信度,至少必须包含前5阶弹性模态,而更高阶的模态对计?7?铁道车辆第44卷第1期2006年1月算结果的影响较小.第1阶(23.75Hz)第2阶(33.3Hz)第3阶(35.03Hz)第4阶(36.O3Hz)第5阶(43.74Hz)图3交叉杆各阶模态静强度计算,线路试验和疲劳试验结果表明:交叉杆上的大应力点在中部连接板和杆的焊缝端部(本有限元模型中的节点号为1456,1313),并且轴向和垂直动载荷(包括惯性载荷和端部连接处的外载荷)对危险点的动应力贡献值远大于纵向,横向和扭转载荷的贡献值,该点的应力状态基本上为单向应力状态.对车辆在不同装载工况下以不同速度通过各典

11、型线路(直线,曲线和道岔等)分别进行了仿真,得到了在了与试验结果6进行比较,采用在试验线路区间实测的线路不平顺谱作为模型的输入l4.图4为重车以120km/h通过直线时交叉杆危险点(1313号节点)的12号道岔时前后转向架交叉杆相同节点(1313号节点)处的动应力仿真结果(严重磨耗);图6是空车以55km/h侧向通过12号道岔时前后转向架交叉杆相同节点(1313号节点)处的动应力仿真结果(严重磨耗).罱时间/B图4重车,直线运行,120km/h从仿真结果可见:道岔垂直不平顺对交叉杆内部?8?的危险点动应力的影响是很大的,应根据运用过程中的线路情况和可预见的通过道岔的个数,在疲劳评估时加以重点考

12、虑.譬?R譬?RI一前交叉杆1313号节点II后交叉杆1313号节点招.1IItl-IlI】I/tIT魁一t时间/s图5直向通过12号道岔(严重磨耗,100km/h)时间/s图6侧向通过12号道岔(严重磨耗,55km/h)2003年4月一6月,在齐齐哈尔龙江间进行的整车动力学试验中,北京交通大学的研究人员对交叉杆动应力进行了测试,在比较典型的直线条件下,对交叉杆危险点的动应力试验和仿真结果进行了比较.图7为在直线条件下(速度120km/h),对交叉杆中部盖板端部断焊缝测量136点的动应力试验结果,该点为直线条件下(速度120km/h)的前交叉杆有限元模型1313号节点的动应力仿真结果.从仿真结

13、果来看,由于轨道不平顺的随机性,在时数据看,试验结果和仿真结果在总循环次数上有较大的差距.但是,仔细分析各级应力循环情况发现,两者因,一是在对试验数据进行雨流统计时没有做滤波处理,试验数据的采样频率为500Hz,有可能存在高频噪声的混入,二是在仿真模型中,由于无法对高频的轮轨垂直冲击载荷进行有效模拟,可能造成对交叉杆组成高频激励的不足.考虑到小应力循环对结构疲劳损伤的贡献一般较基于刚柔耦合系统的关键零部件动应力仿真和疲劳寿命计算陆正刚,胡用生小,如果去除应力幅值在10MPa以下的小应力循环(该数值的选取一般为最大循环应力幅值的5以下),即分别去掉应力幅值分级中的最小一级(试验工氆一-况为4.1

14、6MPa,仿真工况为3.42MPa)时,应力循环分布结果见图9.102030时间/8(a)时间历程羹姆(b)应力循环分布(雨流法统计)图7交叉杆危险点动应力试验结果(空车,直线,120km/h,40s)235磬O时间/8(a)时间历程(b)应力循环分布(雨流法统计)图8前交叉杆危险点动应力仿真结果(空车,直线,120km/b,4os)logP_冀姆(_)试验结果(直线逮度I18kmlh,时阳0?)(b)仿真结果(直线速度I20km儿,时问加-)图9交叉杆上关键危险点(1313号节点)应力循环统计(去除第1级小应力循环后)从图9可以看出,试验数据和仿真数据在形态和趋势上是比较接近的.表1给出了进

15、一步对该段应力历程进行的相应的看出,仿真结果比较接近试验结果.表1直线工况疲劳损伤仿真与试验结果比较?9?:250Fd高】簟瞬器铁道车辆第44卷第1期2006年1月4运煤专用敞车交叉杆组成疲劳评估动应力谱计算及疲劳寿命计算通过仿真分析方法对交叉杆疲劳寿命进行评估(主要是根据交叉杆上危险点的应力谱),运用疲劳损条件,对空重车的比例选择为1:1;线路直,曲比为4:1;60km/h,80km/h,100km/h和120km/h直线运行时间比例为2:4:3:1;一个典型的应力谱周期对应的运行里程为6km左右.对直线和曲线工况,按照速度从小到大,先空车再重车的顺序,构造大约真分析,前交叉杆中部断焊缝(有

16、限元模型中1313号节点)处的动应力谱见图1O.0200400600800时间/_(a)时间历程4000鬯3000督2000姆l0000帽值/(b)雨流统计皮力循环结果图1O用于交叉杆疲劳评估的动应力谱(前交叉杆中部断焊缝1313号节点)根据相关研究结果_6,交叉杆疲劳评估所采用的结构疲劳极限与99%的可靠度相对应,从而在一个动应力谱周期(相当于走行里程为L.km)内,按照危险点的应力幅值和均值分为和级时,对所有应力循环,由线性疲劳累积损伤Miner准则,得出相应的疲劳损伤为:娄薹(蒜(5)式中:O'i第i级的循环应力幅值;一一第J级的循环应力均值;材料的强度极限;M,一一对应于循环应

17、力幅值为第i级,循环应力均值为第级范围内的所有应力循环次数.按危险点估计的结构疲劳寿命(走行里程)为:L=!.xL.(6)对交叉杆中部断焊缝(以危险点1313号节点为基础),按照99的可靠度相对应的疲劳极限口一,对应的失效循环次数N.和疲劳常数1"1l,经计算得到的结构疲劳寿命见表2.从应力循环统计和表2的结果中可以看出:虽然前后交叉杆危险点处的应力循环统计结果不尽相同,但是寿命评估的结果很接近,可见根据该点来评价交?!O?表2交叉杆疲劳寿命评估试验结果和仿真结果还可以看出,仿真结果下的小应力循环比试验结果少很多.因此,在采用仿真数据进行疲劳评估时,应尽可能地包含小应力循环,以保证一

18、定的裕量.5总结在建立可靠的刚柔耦合动力学模型的基础上,采用变形方法计算在动态载荷作用下关键结构的模态应力,借助于相关的疲劳损伤理论,实现对结构疲劳寿命的预测是本文研究的主要内容.通过上述分析,得出以下主要结论和需要进一步研究的问题:(1)在精确建立车辆刚柔耦合动力学仿真模型的条件下,可以通过不同工况(线路,装载和速度等)计算铁道车辆关键零部件的动应力,方便地确定危险点的区域.通过不同比例的工况组合,可以得到用于疲劳评估的应力谱,实现在设计阶段对结构进行可能的疲劳破坏和寿命的预测.(2)对运煤专用敞车交叉杆的动应力仿真结果分析表明:可以采用以刚柔耦合模型进行交叉杆上危险点的动应力仿真来评估结构

19、的疲劳寿命.0一一簧试验研究铁道车辆第44卷第1期2006年1月文章编号:100276022006】01001104转K2型转向架弹簧载荷识别及其对弹簧寿命影响的研究孙志锋,刘志明(北京交通大学机电学院,北京100044)摘要:用试验的方法得到在垂直载荷作用下弹簧45.方向应力和最大主应力之间的差异,用有限元法计算了弹簧根据载荷计算出弹簧的应力,利用疲劳损伤模型计算出损伤,得出了2种载荷对疲劳寿命的影响.关键词:转K2型转向架;弹簧;载荷识别;疲劳中图分类号:U270.331文献标识码:A随着列车速度的提高和载重的不断增大,货车转向架关键零部件的可靠性成为设计,制造和运用部门非常关注的问题.车辆在运行过程中,为了减少有害关键部件之一,它使车辆的质量及载荷比较均衡地传递到各轮轴;同时,还可以缓和由各种原因引起的车辆的振动和冲击.长期以来,对于如何分析货车弹簧的应力状态,如何考虑横向载荷对货车弹簧寿命的影响型转向架弹簧载荷的识别及其对弹簧