城市軌道交通車輛轉向架天線梁隨機振動疲勞分析

張春玉王科飛李本懷張 猛李曉峰

（1.中車長春軌道客車股份有限公司基礎研發部，130062，長春；2.大連交通大學機車車輛工程學院，116028，大連∥第一作者，高級工程師）

城市軌道交通車輛轉向架上的天線梁，是搭載車載信號的一種裝置。天線梁包括橫梁和輔助安裝座，左右兩端通過螺栓與轉向架的構架端部連接。車輛運行過程中由于受軌道不平順的影響，輪軌接觸通過一系鋼簧傳遞到轉向架天線梁上，以激勵的形式作用在結構上。因轉向架構架頻率范圍較寬，在軌道的外載荷激勵與構架上的安裝部件產生頻率相近時，若部件抗隨機振動疲勞的能力不足，極有可能發生疲勞斷裂失效［1-2］。此外，當結構固有頻率分布與外載荷的動態交變載荷相接近時，容易發生共振疲勞破壞。天線梁常幅疲勞設計不能真實表達結構固有頻率對其產生的影響，結構疲勞壽命預測應考慮隨機載荷和結構固有頻率，使預測結果更貼近實際。

本文首先對隨機振動疲勞理論進行了總結分析，然后對轉向架天線梁進行了疲勞仿真分析和結構優化，并與實際運行線路的動應力測試結果進行對比，最后總結歸納整套隨機振動疲勞分析方法。

1 隨機振動疲勞理論

疲勞損傷指外載荷往復產生的損傷累積，是外載荷使材料性能逐漸衰減的過程。外載荷分為等幅載荷和隨機載荷，兩者的激勵過程會引起不同的材料疲勞損傷。等幅載荷應力幅為其應力峰值，隨機載荷的應力幅用均方根值表達。

軌道車輛運行時的激勵載荷是隨機的。在服役過程中，隨機載荷對結構疲勞壽命的影響非常大。分析隨機振動疲勞需根據載荷譜計算結構應力響應譜，可從頻域和時域兩個方面進行分析。其中：頻域分析可計算得到應力功率譜特性曲線，時域分析可得到應力的時間歷程特性曲線［3］。疲勞壽命分析一般在時域內進行，先對部件結構進行單位載荷分析，獲取結構的應力/應變隨時間的變化歷程，將載荷譜按照幅值大小分級，通過雨流計算法提取不同載荷等級下的應力循環次數。再采用不同焊接接頭的疲勞應力-循環次數（S-N）曲線及累積損傷法，分析得到結構的壽命［4］。然而該方法下的模擬仿真分析，處理長的時域信號異常困難，對隨機動態載荷更是沒有好的處理方法。如果隨機載荷輸入的信號過少，零部件在實際線路的載荷邊界條件不能在仿真模型中體現，將會導致所輸出的分析結果誤差過大。

頻域疲勞分析是將結構在時域內的線路載荷譜通過傅里葉變換轉化為頻域內的功率譜，通過頻響分析得到結構的傳遞函數，然后將載荷激勵譜與頻響分析得到的結構應力進行擬合，從而獲得結構的應力功率譜。根據焊接接頭的S-N曲線及累計損傷法，則可計算出結構疲勞壽命。頻域隨機振動疲勞分析的核心是得到結構的應力功率譜［5］。相比于時域分析法，頻域分析法計算隨機載荷的過程更加方便，不需太多的數據量就可以反映出結構的運營載荷環境［6］。

本文采用Ansys作為有限元分析軟件［7-9］，將線路時域內的加速度譜變換為頻率內的載荷激勵譜［10］，作為仿真分析的輸入條件，并結合Dirlik公式和線性疲勞累積損傷法對天線梁的疲勞問題進行分析，預測其疲勞壽命。

圖1 轉向架構架端部加速度波形截圖

圖2 天線梁縱向激勵載荷譜

圖3 天線梁橫向激勵載荷譜

2 天線梁隨機振動疲勞分析

天線梁安裝在轉向架構架的端部。將構架端部加速度數據（數據截圖如圖1）通過傅里葉變換，轉化為頻域信號的載荷激勵譜。天線梁的縱向、橫向及豎向的載荷激勵譜如圖2～4所示。

通過輸入某地鐵線路實測的載荷譜數據，對天線梁進行隨機振動疲勞仿真分析。在該線路全程來回往返開行63 km的載荷譜作用下，天線梁結構最大累積損傷發生位置位于其輔助安裝座與橫梁連接焊縫處（見圖5），損傷值為3.67×10-5。根據線性累加，在開行350萬km時的損傷值為2.04，大于損傷規定的閥值1，不滿足合同中對疲勞壽命的要求。

對天線梁的疲勞薄弱點分析發現，其橫梁局部位置的剛度值過低，導致局部模態低，不能滿足振動疲勞要求。因此，在橫梁與輔助安裝座位置焊接補強筋板，優化原結構形成新型的雙筋板結構。結果顯示，雙筋板結構比單筋板結構穩定，局部模態數值增加明顯，雙筋板結構可滿足橫梁振動疲勞要求。

對天線梁優化后的雙筋板結構進行模擬，依據頻域下的隨機振動疲勞分析，在線路運營一個往返全程載荷譜作用下，結構最大累積損傷值發生位置為補強翼板圓弧處，焊縫處的最大疲勞損位置轉移到了筋板母材處，如圖6所示，最大損傷值為1.05×10-5。根據線性累加，天線梁新型結構對應350萬km的損傷值為0.59，小于損傷規定的閥值1，能滿足在線路上運營350萬km的要求。

圖4 天線梁豎向激勵載荷譜

圖5 天線梁原結構振動疲勞損傷云圖

圖6 天線梁新型結構損傷云圖

表1 天線梁新型結構動應力測試結果 MPa

3 天線梁新型結構線路振動疲勞測試

該線車輛轉向架天線梁新型結構的動應力測試布點如圖7所示。線路數據采集后，對包括尖峰濾波、50 Hz工頻噪聲濾波、共模噪聲濾波、零漂修正及小波處理等原始數據進行測試前處理。根據天線梁新型結構實測得到的動應力數據，依據Miner線性累計損傷法則［11］和材料（焊接接頭）的S-N曲線，結合母材/焊縫的許用疲勞極限，對天線梁測點的位置進行疲勞強度評估［12］。轉向架天線梁新型結構測點兩次測試的動應力最大值、最小值和幅值如表1所示。各測點的動應力測試結果截圖如圖8所示。350萬km等效應力值如圖9所示，其最大幅值為48.6 MPa，出現在2號天線梁座下部的翼板圓弧處，對應損傷值為0.66。可見，天線梁新型結構可以滿足在線路上運營350萬km的要求。

通過對比可知，結構疲勞損傷薄弱位置與線路測試試驗位置一致，仿真分析與試驗損傷值誤差為11%，分析結果與試驗結果一致性較好。此結構對天線梁結構優化具有重要的指導作用。

圖7 新型天線梁結構動應力測點圖

圖8 天線梁新型結構動應力測試結果截圖

圖9 天線梁新型結構測點350萬km等效應力幅值

4 結語

天線梁的服役是一個很漫長的過程，按理應該是一個超高周疲勞，但由于試驗條件和數據的限制，本文沒有考慮材料超高周疲勞特性的變化。

轉向架天線梁仿真分析結果與實際線路動應力測試結果對比表明，隨機振動疲勞分析方法可以反映轉向架天線梁疲勞的真實運行特點，能夠為產品的設計和試驗驗證提供有力的指導。用Ansys軟件進行頻域分析，將線路時域內的運行加速度譜變換為頻率內的載荷激勵譜作為仿真分析的輸入條件，結合Dirlik公式和線性疲勞累積損傷理論的仿真分析體系，可對天線梁的疲勞問題進行良好預測，進而指導優化改進天線梁部件結構。這一套方法體系也可供其他隨機振動的工程問題研究作參考。