輕軌車輛鋁合金車體疲勞強度分析及可視化

李孟梁 董曾文 羅寶

摘 ?要：根據(jù)歐盟關于鐵道車輛的標準（ORE B12/RP17）給出的多軸應力轉化為單軸應力的方法，對某輕軌車輛鋁合金車體全車體結構進行疲勞強度分析，同時實現(xiàn)車體疲勞強度可視化。結果表明，車體結構疲勞強度滿足設計要求。

關鍵詞：鋁合金車體;疲勞強度;可視化

中圖分類號：TG146 ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：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

為保證車輛的安全性和可靠性，需要對車體結構進行疲勞強度分析，以保證車體在壽命期內的正常使用要求。

在現(xiàn)有承載結構強度分析的商業(yè)軟件中，僅能獲得結構應變、應力和位移等分析數(shù)據(jù)與云圖顯示結果。在實際工程應用中，需要根據(jù)相應的強度評定準則，對應力結果處理，以判斷是否滿足設計要求。對于得到的安全系數(shù)、材料利用度等結果，現(xiàn)有商業(yè)軟件無法直接實現(xiàn)其可視化。

本文采用疲勞極限法對某輕軌車輛鋁合金車體結構進行疲勞強度分析，并實現(xiàn)分析結果的材料利用度的可視化。

1 疲勞強度分析方法

本文基于標準ORE B12/RP17給出的多軸應力轉化為單軸應力的方法，進行疲勞強度分析。UIC 510-5標準對這一轉化過程進行了詳細描述，其關鍵在于確定最大主應力值及其方向向量，核心運算為二階應力張量矩陣的乘法運算，具體過程不再贅述。

2 車體結構及有限元模型

2.1 車體結構簡介

該輕軌車輛車體由大型中空鋁合金型材組焊而成，為筒型整體承載結構，具有較好的截面剛度特性，車體結構具有較好的整體剛度和良好的防腐性能。車體結構主要由底架、側墻、頂蓋、端墻和司機室骨架組成。

2.2 車體有限元模型

通過Hypermesh軟件建立車體有限元模型，車體結構離散為殼單元，對于大型安裝設備，在設備重心處施加集中質量單元并通過rbe3柔性單元與車體連接，對于內裝、乘客等，在底架地板均勻施加質量單元。圖1為車體有限元模型。不同的母材和不同類型的焊縫，均有不相同的疲勞許用應力，為方便后續(xù)疲勞強度計算，在前處理中，車體材料和焊縫均需要分類。圖2為車體結構的材料分布圖。車體焊縫使用桿單元標記，不同類型的焊縫存放于不同組件中，如圖3所示。

2.3 車體疲勞載荷

車體疲勞強度計算載荷工況主要依據(jù)歐洲標準 EN 12663-1-2010確定，主要考慮以下載荷工況。

工況1：正常運行載荷狀態(tài)（AW2）編組列車垂向載荷，垂向加速度a=1±0.15g。

工況2：正常運行載荷狀態(tài)（AW2）編組列車橫向載荷，橫向加速度a=±0.15g。

工況3：正常運行載荷狀態(tài)（AW2）編組列車縱向載荷，根據(jù)列車啟動和制動確定。

工況4：正常運行載荷狀態(tài)（AW2）編組列車扭曲載荷，根據(jù)標準EN14363確定。

工況5：抗側滾扭桿載荷，根據(jù)標準EN 13749確定。

還需要對三個方向的加速度載荷和線路扭曲載荷進行疊加組合，得到最終計算工況。

3 疲勞強度分析及可視化

3.1 疲勞強度分析

在靜強度工況計算完成后，進行疲勞強度計算，主要包含以下步驟：

（1）獲取疲勞強度計算所需數(shù)據(jù)，包含模型參數(shù)和各工況下節(jié)點應力，其中，模型參數(shù)主要是單元信息（所屬的材料、包含的節(jié)點）。

（2）依據(jù)節(jié)點所屬的單元材料或焊縫類型，賦予節(jié)點材料信息，同時，根據(jù)各工況的應力結果，求取最大應力和應力比。

（3）依據(jù)材料種類或焊縫類型，以及應力比，確定許用應力，求取材料利用度。

3.2 結果及其可視化

ANSYS后處理提供了修改結果的功能，通過APDL命令DNSOL，將疲勞數(shù)據(jù)賦值。用材料利用度將原有的SXZ即XZ方向的剪切應力覆蓋，然后再對SXZ進行云圖顯示，就可以得到材料利用度分布云圖。

車體結構疲勞強度分析結果的材料利用度分布云圖如圖5和圖6所示。可以看出，車體結構最大材料利用度為0.616，出現(xiàn)在圓弧頂蓋與空調平臺的過渡筋板焊縫處。除此之外，枕梁區(qū)域、抗側滾安裝座、門角和窗角區(qū)域，材料利用度也相對大些。

4 結束語

使用主應力矩陣求解應力投影值，可以簡化計算程序和提高計算效率。以云圖顯示材料利用度，可以直觀的看出車體結構疲勞強度的分布和具體的材料利用度數(shù)值，提高疲勞強度分析結果的可視性。

整個車體結構的最大材料利用度為0.616，小于1，說明車體疲勞強度滿足設計要求。根據(jù)車體材料利用度，可以針對性地對材料利用度大的區(qū)域進行結構優(yōu)化;對于材料利用度小的地方，可以綜合考慮其他設計要求，進行輕量化設計。

參考文獻：

[1]鄭李雄，蔣鵬飛，米彩盈.鐵道車輛焊接結構疲勞強度網(wǎng)格靈敏度與可視化研究[J].現(xiàn)代制造工程，2016（5）：93-98.

[2]侯士通，王瑩.基于ANSYS二次開發(fā)的大跨橋梁疲勞壽命與失效概率的可視化技術[J].江蘇大學學報（自然科學版），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.