基于剛柔耦合仿真的轉K6轉向架疲勞壽命預測

方 吉,樸明偉,張 軍,兆文忠

(大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧大連116028)

目前我國鐵路貨車正在大量使用三大件式轉K 6轉向架,轉K 6轉向架作為一種新型轉向架,與以往的轉K 2和轉8A轉向架相比結構和性能都有所改進,一系采用八字型橡膠墊大大減少了側架所承受的沖擊力,但由于貨車載重量和運行速度的提高,載荷工況更加復雜,使得轉向架的疲勞問題更難預測[1,2]。

傳統的轉向架疲勞壽命預測主要是基于實測的載荷譜,然后結合有限元靜態強度計算的結果進行疲勞預測。但獲得實測載荷譜需要花費很多的人力和物力,使整個產品的設計周期延長,且沒有考慮動態載荷對結構動應力的影響。基于剛柔耦合仿真的貨車轉向架疲勞預測,可以考慮激擾頻率對結構振動的影響,能節約設計成本,縮短產品開發周期。

本文首先在CAD軟件中根據轉K 6轉向架的結構尺寸建立搖枕和側架的三維幾何模型,然后利用有限元軟件對其進行有限元網格劃分,進行模態計算,并生成模態中性文件(.MNF),把搖枕和側架的模態中性文件導入到動力學仿真分析軟件ADAMS/Rail中,建立C80敞車的剛柔耦合動力學仿真模型。以軌道不平順為激擾源,進行動力學仿真計算,然后把仿真得到的模態坐標時間歷程DAC文件導入到NASTRAN軟件中,利用模態綜合法進行動應力恢復,并獲得搖枕和側架上每個節點的動應力時間歷程,再結合由試驗測得的B+級鋼疲勞特征S-N曲線,對轉K 6轉向架搖枕和側架的疲勞壽命進行預測。

1 動應力恢復方式的選取

動應力恢復方式有靜態方式(Static)、模態方式(M odal)和子結構模態綜合方式(CMS)。在3種動應力恢復方式中,CMS方式考慮了柔性體在約束作用下所形成的靜態變形特征。CMS模態是由如下兩個子集組成:固有模態和約束模態。正則化后的約束模態反映了柔性體在幾何約束作用下所形成的主要靜態變形特征,因而稱為特征約束模態。因此,在CMS應力恢復過程中,動應力是由約束力確定的,包含了準靜態和動態載荷成分,這有利于結構柔性體的動力作用影響分析,所以本文采用CMS方式進行動應力恢復[3]。

2 創建柔性體模型

首先建立轉K 6轉向架搖枕和側架的有限元模型,搖枕采用6面體單元,劃分了106 832個單元,136 552個節點,如圖1所示。側架采用4面體單元,劃分了406 828個單元,107 065個節點,如圖2所示。

選取約束自由度時,主要考慮柔性體的邊界條件,例如在貨車運行過程中,側架要和承載鞍、搖枕交叉桿及斜楔等發生相互作用,相互之間的動作用力相對于側架來說是外界的激擾載荷。應該在相互作用面上設定約束自由度,為了縮減自由度,選取約束自由度也是有取舍的,是根據經驗和外載荷大小及結構的剛度來選取的。

通過模態分析,獲得搖枕和側架的模態,并生成柔性體文件。搖枕一共取37階模態的前6階為剛體模態,后31階為約束模態和自由模態。由于側架受力條件比較復雜,所以一共取了60階模態[4](見表1)。

3 建立剛柔耦合動力學仿真模型

首先利用前面生成的搖枕和側架柔性體模型建立剛柔混合動力學仿真模型如圖3所示,其中車體采用C80敞車重載時的車體參數,轉向架為轉K 6轉向架的剛柔混合模型。

圖1 搖枕有限元模型及約束模態的選取

圖2 側架有限元模型及約束模態的選取

表1 搖枕和側架的前4階模態列表 Hz

圖3 C80敞車剛柔耦合動力學模型

4 準靜態計算應力與試驗結果對比

為了驗證所建剛柔耦合動力學模型的正確性,有必要與靜態強度試驗結果進行對比,由于強度試驗是根據TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》的規定設定載荷,為了保證載荷工況的一致性,首先按照側架靜強度試驗施加載荷349 kN,折合車體質量為142 t。按車體142 t在ADAMS/Rail中進行仿真計算,讓車體靜止停放在軌道上,仿真時間10 s(圖4、圖5)。

圖4 側架最大主應力位置1

圖5 側架最大主應力位置2

按照前面的方法針對搖枕的靜態強度計算載荷443 kN,折合到車體為90.3 t。靜置在軌道上,仿真時間 10 s(圖 6、圖 7)。

通過仿真計算的結果與試驗測得轉K 6轉向架最大主應力對比的表2可以看出,利用模態疊加法獲得的準靜態應力計算結果與試驗結果在最大應力出現的部位上是一致的,數值上略有差別。但差別不大,總的來看結果還是令人滿意的。

圖6 搖枕最大主應力位置1

圖7 搖枕最大主應力位置2

表2 準靜態動應力恢復與試驗最大主應力對比

5 線路仿真及動應力恢復

根據我國目前貨車提速120 km/h的要求,以C80敞車為例進行動力學仿真,仿真速度取120 km/h,由于我國京滬、京廣、京哈3大干線軌道譜軌向不平順波長在1～30m范圍內,其中7～30m波長范圍內與美國5級譜相當,高度不平順在整個波長范圍內都比美國5級譜好,比美國6級譜要差。為保守起見取美國5級軌道不平順作為激擾進行動力學仿真[5]。仿真結束后,提取模態時間歷程文件,并進行動應力恢復。通過熱點分析得到最大應力發生在22 s,查看第22 s動應力恢復結果如圖8、圖9。

6 疲勞壽命分析

圖8 側架動態高應力區

圖9 搖枕動態高應力區

由于轉K 6轉向架采用的是B+級鋼鑄造,根據B+級鋼的試驗數據,利用升降法進行處理,獲得存活率為P=50%時的S-N曲線,并采用Haibach提出的在疲勞極限以下部分的S-N曲線在對數坐標下按-1/(2m-1)的斜率延長,其對應的表達式為:

由于B+級剛的S-N曲線(圖10)是在對稱循環條件下測得的(應力比R=-1,應力均值為零,R=S min/S max),而搖枕和側架所受的載荷基本上是非對稱的隨機載荷,為此,在計算過程中引入Goodman經驗公式將實際工作應力級轉換為對稱循環應力級,應力譜的轉換公式如下:

圖10 試驗獲得的B+級鋼的S-N曲線

圖11 搖枕的壽命云圖及疲勞危險部位

圖12 側架的壽命云圖及疲勞危險部位

式中 Sa為應力幅值;Sa(R=-1)為循環應力均值為零時的應力幅值;Sm為應力均值;Su為材料的拉伸極限,Su=545MPa。

根據M iner線性積累損傷原則,首先求得單個應力譜塊在運行里程內的損傷(無量綱),然后對其求和,再取倒數得到壽命。

由于空車的載荷幅度比重車要小很多,重車運行情況決定著轉K 6轉向架的疲勞壽命,因此只需要分析重車的運行里程數,就能獲得轉K 6轉向架的疲勞壽命(圖 11、圖 12)。

經驗表明,在大多數情況下,鑄件疲勞裂紋始于有明顯鑄造缺陷或局部應力集中的區域。而有數據表明鑄件中Kf=1.5～2的中等缺陷占總樣本的比例最大,屬于最常見的缺陷等級[6]。但在1.5到2之間到底取多少為好,還不確定,因此本文把Kf在1.5～2之間進行了搖枕和側架的疲勞計算,并繪制出K f與壽命的關系圖加以分析(圖13)。

圖13 搖枕和側架的疲勞壽命與應力集中系數 K f之間的關系曲線(存活率95%)

7 結論

(1)通過與試驗對比發現,基于合理的剛柔耦合模型通過CMS動應力恢復法獲得的動應力與試驗數據基本吻合。

(2)經過對比分析,搖枕壽命比側架高,可能是因為側架載荷變化比較劇烈,經過一系減振后搖枕載荷工況相對較好,根據相關文獻應力集中系數K f大多數取1.55,根據計算側架疲勞壽命為463萬 km,搖枕為2 013萬km。

(3)基于剛柔混合模型通過模態疊加法獲得的動應力可以直接進行疲勞計算,對于鑄件來說非常方便,可以直接對整個構件進行全范圍的疲勞評估,獲得疲勞區域及其壽命。

[1]鄔平波,溫松濤,王建斌,等.提速貨車轉 K2型轉向架側架疲勞壽命預測[J].中國鐵道科學,2009,30(1):91-94.

[2]劉德剛,楊愛國,李 鐵.轉8A型轉向架側架疲勞壽命分析[J].鐵道車輛,2003,41(10):11-15.

[3]樸明偉,方 吉,趙欽旭,等.基于剛柔耦合仿真的集裝箱車體振動疲勞分析[J].振動與沖擊,2009,28(3):1-5.

[4]任萬勇,羅冠煒.轉8A貨車轉向架重要承載部件的模態試驗與分析[J].工程力學,1999,(3):848-851.

[5]陳 果,翟婉明,左洪福,等.仿真計算比較我國干線譜與國外典型軌道譜[J].鐵道學報,2001,23(3):23-26.

[6]白淑萍.K 6轉向架搖枕裂紋原因分析及改進措施[J].鐵道技術監督,2007,35(3):20-24.