基于不同焊縫結構的單軌車輛轉向架構架疲勞分析

文孝霞，姜 路，杜子學，孔得旭

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074)

0 引 言

轉向架作為軌道車輛的重要組成部分，是眾多部件聯結的主要結構件，也是承載和傳遞力的基體。其上部與主車架以及車廂等部件配合，下部懸掛有輪對以及軸箱等部件，起著承上啟下的作用。為保證跨座式單軌車輛的安全可靠，須對轉向架構架進行結構強度分析。

學者對軌道車輛轉向架的結構進行了研究。Y. LU等[1]采用加速壽命試驗(ALT)方法預測了轉向架構架的疲勞損傷，分析了加速度系數對整體構架的影響，為大型結構的可靠性評估提供了參考；Y. LU等[2]還研究了振動模態對疲勞損傷的影響，通過改善轉向架構架的動態性能，有效提高了轉向架構架的疲勞可靠性。K.W.JEON等[3]對城市地鐵用GFRP復合材料轉構架進行了疲勞壽命與強度的研究，得到與傳統金屬轉向架相比，GFRP復合材料轉向架具有較好的疲勞性能；謝鳴等[4]基于等效熱點應力法對轉向架機構進行了疲勞估計，降低了計算量，提高了計算求解精度。

上述研究注重于轉向架整體疲勞估計、轉向架受載影響以及整體結構強度分析等較為宏觀的問題，對于不同焊縫結構形式對于構架影響及優化通常未予考慮[5]。但單軌轉向架工作環境復雜、工況繁多，疲勞裂紋首先發生在焊縫位置，焊縫的疲勞可靠性決定了構架的疲勞可靠性[6,7]。同時，焊縫位置通常伴有應力集中，導致焊縫位置發生疲勞損傷，影響焊接構件的整體疲勞強度[8]。此外，在焊接過程中，焊接變形、殘余應力等主要缺陷是不可避免的，這將影響裝配精度，增加制造成本。因此，在結構分析中，應考慮焊縫結構對焊接件的影響，以提高結構分析的精度以及有效性。筆者以單軌車輛轉向架構架為研究對象，建立帶焊縫結構的轉向架構架有限元模型，對其進行了靜強度分析、疲勞強度分析以及疲勞損傷評估。針對電機箱處焊縫，分析了多種焊縫結構類型下的轉向架疲勞壽命，期望獲得能夠滿足轉向架構架強度要求的焊縫結構形式。

1 轉向架靜強度

靜強度分析主要用于求解結構在與時間無關，或時間作用效果可忽略的靜力載荷響應，并得出所需的位移、應力和應變能等，是使用較為頻繁的分析方法。對轉向架構架進行靜強度分析，以判斷轉向架構架結構在各個工況下應力較大部位。

以轉向架構架為對象，利用Hypermesh對構架進行網格剖分，建立焊縫有限元模型，得到包含焊縫單元的轉向架構架有限元模型。為提高焊縫模型精度，轉向架構架焊縫單元采用ruled單元模擬，且均為四邊形單元。此外，焊縫單元大小定義為最小板厚的2倍。轉向架構架有限元模型共離散為1 650 428個單元，980 133個節點。整體模型和局部焊縫模型如圖1。

圖1 帶焊縫結構的轉向架構架有限元模型Fig. 1 Finite element model of bogie frame with weld structure

對有限元模型進行材料、約束以及載荷等進行定義，其構架的材料采用Q345D和S355，材料屬性如表1。在靜強度分析時需要考慮多方面的載荷工況，參照標準BS EN13749—2011《轉向架構架結構要求規范》、TBT 1335—1996《鐵道車輛強度設計及鑒定規范》和UIC615—4《轉向架結構強度試驗方法》，對運營載荷工況下和超常載荷工況下的7種工況進行了載荷計算，依據筆者團隊對單軌車輛實際運行情況的研究與分析，基于有限元分析方法對轉向架構架進行了靜強度分析，以判定構架靜強度是否滿足設計要求。典型載荷工況中滿載工況下轉向架構架的靜強度分析，其約束位置、載荷作用位置及其載荷大小依據滿載工況設置，如表2、圖2。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

表2 滿載工況載荷表Table 2 Load table for full load working condition

圖2 轉向架構架約束位置及載荷作用位置Fig. 2 Constraint position and load acting position of bogie frame

經分析，應力云圖如圖3。由圖3可知，轉向架構架在載荷作用下，電機箱焊接處應力值為167.1 MPa，為轉向架構件應力值最大處，此處應力值均小于材料Q345D和S355的屈服應力值，滿足構架的強度要求。此處較大的應力值將影響轉向架構架的疲勞壽命，在疲勞強度分析時是值得關注的區域。

圖3 轉向架構架應力云圖Fig. 3 Stress nephogram of bogie frame

2 轉向架焊縫疲勞分析

2.1 準靜態應力法

準靜態應力法[9]和模態分析法[10]是疲勞壽命分析加載時較為常見的方法。在實車測試發現，跨座式單軌車輛行駛時的主要激振頻率為6～10 Hz，通過模態計算發現轉向架構架固有頻率的一階模態頻率為22.2 Hz。由此可知，第一階固有頻率高于路面所帶來的激振頻率，不會發生共振現象，因此采用準靜態應力法對轉向架構架關鍵焊縫進行疲勞分析。

準靜態應力法是一種在外載荷作用下的線彈性結構應力分析方法，其主要思想是計算特定載荷工況下，在任一時刻相同結構位置和方向作用的單位靜態載荷所引起的彈性應力應變狀態,然后將其與對應的實測或動力學仿真獲得的載荷譜按時間疊加。因此，分別進行單位載荷作用下的應力分析，通過載荷歷程和單位載荷產生的靜態應力影響因子(stress influence coefficient, SC)相乘疊加原則，計算結構上應力歷程[11]。這種方法適用于大多數的線彈性機械結構，是計算車輛結構動應力比較廣泛的時域分析方法。

某節點準靜態應力計算如式(1)[11]：

(1)

式中：n是應用載荷歷程的數量；σxi、σyi、σxyi是應力影響系數，i∈[1,n]。應力影響系數由在結構部件相同位置和方向與載荷歷程F1(t)相當的單位載荷決定。

2.2 焊縫疲勞應力影響因子的確定

筆者采用2.1中準靜態載荷應力法，將單位載荷施加于穩定輪、導向輪、走行輪以及空氣彈簧座所對應的轉向架構架關鍵部位，并通過應力影響因子對上述部位的單位載荷進行疊加，得到構架疲勞損傷評估結果[12]。其中，左、右空氣彈簧單位載荷下應力影響因子如圖4。由圖4可知左、右空氣彈簧單位載荷下應力影響因子分別為1.513×10-3、1.554×10-3。后期疲勞分析中，左、右空氣彈簧的動載荷歷程，應為輪軌作用力乘以其單位載荷下應力影響因子。

圖4 左、右空氣彈簧單位載荷下應力影響因子Fig. 4 Stress influencing factors of left and right air springs

2.3 焊縫的定義

在疲勞分析軟件FEMFAT中對焊縫進行定義，如圖5。為了降低“剖口”尺寸對焊縫性能影響，利用搭接焊縫首尾相連模型來提高模型精度[14]。由圖5可知，黑色框架為筆者所構建的焊縫結構，均采用四邊形網格，共定義了1 064條焊縫。同時，為了能更精確的進行材料疲勞評估，定義焊縫材料為S355，并基于應力幅和平均應力對該材料S-N曲線進行修正，修正后的S-N曲線如圖6中節點N1122905。

圖5 定義焊縫結構后的構架模型Fig. 5 Model of frame after defining weld structure

圖6 S355焊縫材料S-N曲線及其修正曲線Fig. 6 S355 weld material S-N curve and its correction curve

2.4 疲勞載荷譜的獲取

采用動力學仿真分析方法獲得載荷譜，利用Adams建立了單軌車輛動力學仿真模型，如圖7。

圖7 單軌車輛多體動力學模型Fig. 7 Multi-body dynamic model of monorail vehicle

載荷時間歷程選取參考重慶2、3號線和筆者團隊的項目經驗，主要考慮直線下50、75 km/h、彎道分別占比5%、10%、15%、20%共六種工況。筆者考慮最為惡劣的彎道占比20%工況進行研究，結合重慶2、3號線和軌道公司提供的數據，設定彎道半徑為200 m，參考GB50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》，確定單軌車輛在滿載工況下能夠達到61 km/h的極限速度。通過Adams對單軌車輛進行動力學分析，可得穩定輪、導向輪、走行輪以及空氣彈簧座所對應的轉向架構架關鍵部位在0～20 s內的載荷時間歷程。走行輪載荷時間歷程示意如圖8。

圖8 走行輪載荷時間歷程Fig. 8 Load time history of walking wheel

2.5 焊縫疲勞損傷評估

將材料屬性、載荷譜文件定義于FEMFAT疲勞軟件中，得到疲勞壽命估計云圖如圖9。此外，FEMFAT疲勞軟件可輸出計算構架材料的海格圖(Haigh-diagram)，如圖10。圖10中包含了原始海格圖、修正后的海格圖以及危險點位置，可以看出危險點在修正后的Haigh圖下方，表示結構最危險的節點依然符合疲勞強度要求。

圖9 轉向架構架疲勞壽命估計云圖Fig. 9 Nephogram of fatigue life estimation of bogie frame

圖10 轉向架構架材料海格圖Fig. 10 Haigh diagram of bogie frame material

由圖9可知，疲勞循環次數在位于轉向架構架電機箱焊縫處最低，為2.04×108，與2.2中靜強度分析時應力值最大位置所對應。此位置實際焊縫形式如圖11，為單面角T型焊縫。為了優化此處T型焊縫的疲勞壽命，提高其疲勞循環次數，需在FEMFAT疲勞軟件中定義不同類型的“T”型焊縫形式，以得到最優的“T”型焊縫形式。

圖11 轉向架構架電機箱處焊縫形式Fig. 11 Weld form at motor box of bogie frame

2.6 焊縫結構優化分析

將7類焊縫結構形式(單面角焊縫、DHV型焊縫、HV型焊縫、DHY型焊縫、雙面角焊縫、HY型-單面角組合焊縫、HY型焊縫)依次定義于構架電機箱附近的焊縫位置，并分別進行疲勞壽命估計，得到不同結構焊縫位于構架電機箱處的循環次數如表3。

由表3可知，HV型焊縫形式能夠達到的疲勞循環次數最高，為3.46×108次。這是由于焊接熔深與焊縫厚度是影響焊接構件的因素，HV型焊縫相較于單面角焊縫、HY型焊縫具有更大的焊接熔深，相較于DHV型焊縫、DHY型焊縫、雙面角焊縫以及HY型-單面角組合焊縫具有較大焊縫厚度，因此在7類焊縫結構得到疲勞壽命估計結果中，HV型焊縫形式能夠最大限度的提高轉向架構架整體的疲勞強度。相較于轉向架實際應用的單面角焊縫形式，HV型焊縫形式如應用于構架，電機箱焊縫處的疲勞壽命可提高69.6%。

表3 不同結構類型焊縫的疲勞分析Table 3 Fatigue analysis of welds with different structural types

3 結 論

筆者以轉向架構架為研究對象，考慮焊縫對轉向架焊接構件的影響，對轉向架構架進行了靜強度分析以及疲勞損傷評估。此外，通過改變焊縫結構形式，對轉向架構架電機箱處焊縫進行了優化，得出如下結論：

1)轉向架構架滿足材料強度要求，在電機箱與部分構架焊接處的應力值最大；

2)轉向架構架符合疲勞強度要求，其電機箱處焊縫的疲勞循環次數最不理想，與靜強度計算結果相對應；

3)在構架電機箱處，采用HV型T型焊縫，較原有焊縫形式的疲勞壽命提高了69.6%，有效提高了構架整體疲勞強度。在實際工程應用中，可將這種焊縫結構形式進行優先考慮。