沖擊載荷下車架結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)分析

師學(xué)斌 孫亞偉

(北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029)

1 前言

沖擊載荷是各種機(jī)械機(jī)構(gòu)日常運(yùn)行時(shí)都很難避免的動力載荷，制造精度、安裝誤差、運(yùn)行磨損等原因都會導(dǎo)致其發(fā)生。沖擊載荷往往持續(xù)時(shí)間很短，一般由單個或幾個脈沖構(gòu)成，且該激勵的幅值往往都大于設(shè)備正常所受的載荷。對于很多結(jié)構(gòu)，沖擊載荷的影響無法忽視，在設(shè)計(jì)時(shí)都需要著重考慮，例如各種車輛、飛行器、機(jī)械臂等。這些結(jié)構(gòu)的性能受沖擊載荷影響很大。

常見的沖擊載荷根據(jù)其振型的不同可分為正弦波型、階梯型和三角形。其作用的階段也可分為兩部分，即沖擊載荷正在發(fā)生的時(shí)間內(nèi)，機(jī)械結(jié)構(gòu)將會受到?jīng)_擊的影響做某種形式的受迫振動；當(dāng)沖擊結(jié)束后，沖擊的殘余能量還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)繼續(xù)振動，而這后續(xù)的振動與一階段的受迫振動有一定的相關(guān)性。阻尼的本質(zhì)就是能量消耗，當(dāng)沖擊的時(shí)間很短時(shí)，其對于結(jié)構(gòu)的振動影響不大，但若沖擊維持時(shí)間足夠長時(shí)，阻尼的影響就不可忽視。這個時(shí)間的長短一般根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有頻率p來判斷，當(dāng)沖擊的持續(xù)時(shí)間大于1/p，即超過結(jié)構(gòu)的固有振動周期時(shí)，阻尼的影響就不可以忽略[1]。

車架結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛運(yùn)用，它的穩(wěn)定性、舒適性、安全性都要受到?jīng)_擊載荷的影響。分析車架在沖擊載荷下的瞬態(tài)響應(yīng)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一項(xiàng)很有價(jià)值的工作。不同的車架結(jié)構(gòu)對于穩(wěn)定性、舒適性、安全性等指標(biāo)的要求側(cè)重方向不同，優(yōu)化時(shí)需要考慮的因素就會有所區(qū)別。還存在優(yōu)化目標(biāo)的各個參數(shù)之間相互影響相互制約的情形，這種多目標(biāo)優(yōu)化的問題就會變得十分復(fù)雜。

本文將針對某種高速有軌車輛的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。該車架運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，日常運(yùn)行時(shí)會受到頻繁的交變載荷影響，且行業(yè)對于安全性要求很高，車架結(jié)構(gòu)需要有較高的安全系數(shù)，還需要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。因此研究車架在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)以及殘余振動十分有價(jià)值。

2 車架結(jié)構(gòu)及其受力分析

車輛的運(yùn)行受軌道控制，軌道是由一段段鋼管拼接而成的，接口處受工藝影響不能保證絕對順滑，且軌道在與支撐軌枕焊接時(shí)也會產(chǎn)生焊接變形，進(jìn)而影響軌道的平滑度。運(yùn)行過程中車輛除了承受隨軌跡曲率變化而產(chǎn)生過載力外，還會受到軌跡不平順而產(chǎn)生的沖擊載荷。

圖1 車架模型圖1-主梁;2-牽引支架;3，4，5，6，7-承力支架;8-立軸孔;9-翼版;10、中間連接器孔

如圖1所示，主梁1是車架的主承力件；牽引支架2用來安裝牽引鉤逆止爪，并傳遞牽引力；3、4、5、6、7是承力支架，用來安裝車廂和壓臂鎖緊機(jī)構(gòu)，這些零部件和乘客所產(chǎn)生的力也是通過這些支架作用在主梁上；立軸孔8是用來安裝立軸并與輪系裝配；翼版9則是為了加固各個支架；中間連接器孔10則是用來安裝中間連接器并與其他車體相連。

當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，車體帶著乘客隨軌跡變化不斷增速或減速，車廂和乘客的受力會通過車架上的面板傳遞到整個車身。

3 沖擊載荷下車架的瞬態(tài)響應(yīng)分析

瞬態(tài)響應(yīng)分析的目的是計(jì)算車架在隨時(shí)間變化的激勵作用下的應(yīng)力應(yīng)變變化等，瞬態(tài)激勵定義在時(shí)間域中，每個瞬時(shí)的大小已知，激勵可以是作用力和強(qiáng)迫運(yùn)動。

瞬態(tài)響應(yīng)分析獲得的結(jié)果一般是節(jié)點(diǎn)上的位移、速度、加速度和單元(應(yīng))力。其有限元通用方程為：

(1)

結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析結(jié)果的精度跟求解過程中積分時(shí)間步長相關(guān)性很大，但若積分時(shí)間步長取值過小，由于車架模型較復(fù)雜，整個求解過程會比較長，綜合考慮后，積分時(shí)間步長確定為Δt=0.02s，這樣既保證了求解精度也滿足求解效率。

在所有與沖擊和形變相關(guān)的研究中，阻尼的作用都是不能忽略的，阻尼直接影響結(jié)構(gòu)在振動變形的過程中對能量的損耗，也對后續(xù)的形變有著直接的影響，Workbench求解器中帶有Damping controls，在設(shè)定好材料后，阻尼系數(shù)可以選用Program controlled。

為更好的進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需對車架進(jìn)行受力分析，通過ADAMS動力學(xué)仿真計(jì)算可得車輛運(yùn)行過程中的加速度曲線圖(圖2)。由圖2可知，車輛正法向最大加速為42311mm/s2，此時(shí)車架也承受最大的法向力。假定此時(shí)軌道有不順滑點(diǎn)，列車受到了2倍的沖擊載荷，沖擊時(shí)間為0.2s，將沖擊載荷簡化為正弦函數(shù)波，初始載荷為42311mm/s2，在0.1s時(shí)達(dá)到最大沖擊，即84622mm/s2，然后再回落到初值。作用在車架上的質(zhì)量(車廂、壓臂支架和乘客)為700kg，將這些質(zhì)量以遠(yuǎn)端質(zhì)量的方式加載在車架的上端面上。

得到車架受力值后，利用ANSYS Workbench平臺建立Transient Structural模塊，隨后將車架三維模型導(dǎo)入，劃分網(wǎng)格，根據(jù)過山車的實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)置車架的約束條件，加載加速度，同時(shí)將車廂、乘客和壓臂鎖緊機(jī)構(gòu)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)端質(zhì)量塊，然后根據(jù)相應(yīng)的裝配關(guān)系分別施加在圖1的3、4、6和5、7承力支架上。

仿真軟件計(jì)算得到的車架應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，車架應(yīng)力分布主要集中在車頭、車位、承力支架以及主梁的中上位置，兩側(cè)翼板以及主梁中部兩側(cè)位置則應(yīng)力很小。隨時(shí)間的變化，車架所受應(yīng)力不斷變化，但分布趨勢趨于一致。由前文可知，0.02s與0.18s、0.06s與0.14s時(shí)，車架所受的激勵相同，在圖3上發(fā)現(xiàn)，車架在所受激勵減小時(shí)，應(yīng)力減小并不同步，而是出現(xiàn)一個延后的現(xiàn)象，此現(xiàn)象應(yīng)該與車架的阻尼有關(guān)。這一現(xiàn)象對于分析車架疲勞是有很大影響的，因?yàn)槠诜治鲋校刃?yīng)力幅是一個重要指標(biāo)。

圖2 列車加速度曲線圖

0.02s車架應(yīng)力云圖

0.06s車架應(yīng)力云圖

0.1s車架應(yīng)力云圖

0.14s車架應(yīng)力云圖

從圖3分析可知，車架應(yīng)力主要集中在車頭和車尾，這是因?yàn)檐囶^和車尾是仿真計(jì)算中的兩個約束位置，且該部位形狀不規(guī)則，有效截面變化率高，車架在加速度的作用下，這種位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中。在車輛運(yùn)行過程中，隨著外界激勵的變化，該位置的應(yīng)力值變化幅值也最大，屬于疲勞破壞的危險(xiǎn)區(qū)。因此在設(shè)計(jì)車架時(shí)綜合考慮車架的裝配和受力情況，多采用大圓角或加強(qiáng)板的方式減小應(yīng)力集中或增強(qiáng)薄弱位置。

車架在沖擊結(jié)束后，受到?jīng)_擊剩余能量的影響，還會進(jìn)行殘余振動。振動的持續(xù)時(shí)間和衰減趨勢受到結(jié)構(gòu)阻尼的影響[2]。在振動中，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的摩擦阻力以及各個部件之間的摩擦力影響，振動的能量通過不斷轉(zhuǎn)化為其他能量(通常為熱能)的方式逐漸減少，振動也會隨之衰減，這種阻力的作用就成為阻尼作用。阻尼的大小就代表了振動系統(tǒng)工作時(shí)能量損耗的能力。

對于車架而言，除了要保證它不受塑性破壞影響之外，還要防止其因?yàn)殚L期的振動產(chǎn)生疲勞破壞。在現(xiàn)有的疲勞壽命計(jì)算中，結(jié)構(gòu)件所受的交變載荷變化次數(shù)和幅值都是關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，而沖擊載荷的殘余振動對這兩個參數(shù)都有很大的影響[3]。因此，為了保證車架的安全，盡量消除沖擊載荷的殘余振動是很重要的一個措施。

抑制車架的振動主要有三個方向，即振動源、傳播途徑和對象。針對振動源主要考慮通過優(yōu)化工藝的方式增加軌道的平順度，減少或降低沖擊載荷的次數(shù)和大??；針對傳播途徑則有主動控制和被動控制兩種方式，被動控制是通過在振動源和對象間增加緩沖材料隔振彈簧等方式，減小振動源對于車架的影響，主動方式則是在軌道和車架連接的部件上增加一個主動振動系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)該振動系統(tǒng)的震動頻率，使之與沖擊載荷達(dá)到某種共振，使沖擊能量主要傳遞到該振動系統(tǒng)中，降低其對主結(jié)構(gòu)的影響，這種控制振動的方式適用范圍很窄，但在特定的環(huán)境中有非常出色的效果；針對對象的措施則是在主結(jié)構(gòu)中增加阻尼器，通過加快沖擊能量消耗的方式減小殘余振動對于車架的影響。

4 結(jié)論

(1)采用有限元仿真的方式分析了車架在沖擊載荷下的瞬態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了車架應(yīng)力隨激勵變化時(shí)出現(xiàn)的延后下降的現(xiàn)象，此種現(xiàn)象對于車架疲勞計(jì)算有很大的影響，在后續(xù)的研究中可以著重研究阻尼與延遲響應(yīng)的相關(guān)性。

(2)分析車架的應(yīng)力云圖提出了車架優(yōu)化的思路，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小應(yīng)力集中，從而降低結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)通過對于沖擊載荷殘余振動的分析，總結(jié)了幾種降低殘余振動對車架安全性影響的方案。