基于實際工況的地鐵車體疲勞壽命分析技術研究

錢凱杰，王亞平

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著軌道交通事業的迅猛發展和人們生活水平的快速提高，地鐵的行車安全性越來越重要。

地鐵車體為滿足輕量化要求大量采用鋁合金材料，且隨著地鐵運行速度的提高，運行條件越來越惡劣，地鐵車體產生疲勞破壞故障的概率也大大增加。

目前，評估結構疲勞壽命的方法主要有3種：傳統評估法、基于斷裂力學的評估法與基于損傷力學的評估法。傳統評估法主要基于材料的S-N曲線和線性疲勞累積損傷理論來計算疲勞壽命，計算效率高，適用性廣[1]；基于斷裂力學的評估法主要基于構件初始缺陷，將結構初始參數作為確定量考慮，使結果存在較大的不確定性；損傷力學評估法出現得比較晚，學術界還沒有統一的認識，其在工程實際中應用還有待探索[2]。因此對地鐵車體進行強度校核與疲勞壽命分析，對于保證地鐵安全運行及提高經濟效益具有重大意義。

本文以A型地鐵車體為研究對象，依據《BS EN12663：2010鐵道應用——軌道車身的結構要求》[3]，使用Abaqus軟件完成了車體滿載工況下的強度校核；采用SImpack軟件仿真分析獲得了車枕梁腹板孔處的載荷-時間歷程；基于FE-SAFE軟件采用S-N曲線法獲得了在特定工況下的車體疲勞壽命。

1 車體強度分析

1.1 車體結構與有限元模型

A型地鐵車體結構包括牽引梁、橫梁、底板承梁、側梁、左右側墻、車頂等，車體主體材料為ENAW-6005A-T6型鋁合金，屈服極限σs=220 MPa，抗拉強度σb=300 MPa，車體結構如圖1所示。在分析了鋁合金車體的結構特點和材料力學性能的基礎上，采用Hypermesh軟件對車體進行簡化，并采用殼體網格劃分法對車體完成網格劃分，車體模型包含519萬個單元，490萬個節點，得到的有限元模型如圖2所示。

圖1 車體結構

圖2 車體有限元模型

1.2 計算工況和評定標準

依據《BS EN12663：2010鐵道應用——軌道車身的結構要求》，確定車體靜強度計算工況。本文主要分析的工況為：車體最大運轉載荷工況。車體承受主要載荷有：

1)車內載員及車體自重產生的載荷，即車體底板上均布350 kN垂向靜載荷；

2)車輛在啟動、變速、制動、上下坡道時，相鄰列車之間作用于車鉤上的縱向載荷，即車鉤上施加700 kN縱向拉力。

1.3 車體強度計算結果

圖3-圖7為車體滿載工況下計算得到的不同部位的應力云圖。由圖3-圖7可知，車體應力較大的區域主要集中在車軸座處、枕梁腹板處、底板連接處、后門門角處等位置。其中，車軸座與邊梁連接處、枕梁腹板處、底板連接處、車軸座處最大應力值分別為170.5 MPa、43.7 MPa、180.4 MPa、15.6 MPa，均小于材料的屈服極限σs=220 MPa，因此，車體的強度滿足要求。

圖3 車體應力云圖

圖4 車軸座處應力云圖

圖5 枕梁腹板應力云圖

圖6 底板連接處應力云圖

圖7 后門門角處應力云圖

2 車體疲勞壽命分析

2.1 地鐵多體動力學建模

由于線路不平順，車體容易受到動載荷的影響，從而產生疲勞破壞，因此在SImpack軟件中建立列車多體動力學模型，從而得到列車枕梁處的動載荷。從多體動力學和車輛結構的角度看，A型地鐵運動的主要零部件有輪對、軸箱、構架和車體。

在多體動力學建模時，將前后轉向架作為一級子模型；在轉向架中，前后輪對是完全相同的，在建模時，將輪對模型作為二級子模型。在模型中，輪對和軌道之間建立輪軌接觸力，在軸箱與構架之間，建立彈簧力等一系力，在構架和虛車體之間，建立空氣彈簧力、減振器力、止擋力、牽引拉桿力等在內的二系力，整車模型自由度數是50。建立的車體多體動力學模型如圖8所示。

圖8 車體多體動力學模型

2.2 載荷譜

本文考慮軌道實際行駛工況為：車速60 km/h，軌道為全長1 340 m的直線軌道。此工況下車枕梁腹板處z向載荷遠大于其他方向的載荷，故這里只考慮z向載荷-時間歷程。

采用SImpack軟件仿真獲得的枕梁腹板處z方向載荷-時間歷程如圖9所示。由圖9可知，在第10 s時，列車加速，此時曲線到達波峰；在第75 s時，列車減速，載荷幅值變化較大。采用雨流計數法編制的載荷譜見圖10，當量載荷譜見表1。由表1可知幅值在0～1 kN的低載荷循環占很大比重，而幅值>1.5 kN的高載荷循環只產生了3次。

圖9 枕梁腹板處z向載荷-時間歷程

圖10 載荷譜

表1 當量載荷譜

2.3 基于FE-SAFE的車體疲勞壽命分析

在FE-SAFE軟件中，設定車體的表面粗糙度為1.6

依據雨流計數法獲得載荷譜，按照累積損傷Minner理論對車體進行疲勞壽命分析。分析結果表明：車體疲勞壽命最小部位為車體枕梁腹板處，疲勞壽命約為1.320×107次，壽命相對較小的部位為車軸座處，疲勞壽命約為2.230×107，均遠大于極限壽命，因此車體疲勞壽命滿足設計要求。仿真所得上述兩處區域的疲勞壽命云圖如圖11、圖12所示。

圖11 枕梁腹板疲勞壽命云圖

圖12 車軸座疲勞壽命云圖

3 結語

本文依據《BS EN12663：2010鐵道應用—軌道車身的結構要求》，完成了車體滿載工況下的強度校核；利用SImpack軟件建立了車體多體動力學模型，并獲得了枕梁處的載荷-時間歷程；利用雨流計數法獲得了循環載荷譜，根據Miner損傷理論對車體疲勞壽命進行分析。結果表明，A型地鐵的強度與疲勞壽命均滿足設計要求。

下一步的工作是，考慮將實測載荷-時間歷程計算得到的車體疲勞壽命與仿真計算得到的結果進行對比，同時考慮不同影響因素對車體疲勞壽命的影響，為車體結構疲勞壽命的預測提供理論依據。