基于LMS Virtual.Lab的貨車轉向架疲勞性能仿真研究

馬思群，孫 凱，孫彥彬，聶春戈

（大連交通大學機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028）

1 引言

焊接轉向架構架作為貨物列車關鍵的承載和傳力部件，其結構強度及疲勞性能直接決定車輛的運用安全。基于仿真方法的虛擬疲勞實驗技術可有效避免物理實驗開展時試驗周期長、成本高等缺點，且具有較高的可靠性，已在復雜裝備的設計過程廣泛采用。對于焊接結構而言，目前國內外學者已采用名義應力法[1]、熱點應力法[2]及網格不敏感結構應力法[3]等方法對焊縫部位的疲勞性能進行評價，但這些方法所獲得的評估結果多是有限個評估點的計算結果，且疲勞壽命多以數值方式（如循環次數）表達，難于在設計階段對產品進行快速評估。為此在研究中依據國際鐵路聯盟（UIC）所規定的相關標準－貨車二軸和三軸轉向架強度試驗UIC510-3[4]，以某型貨物列車轉向架構架為例，選擇ANSYS、LMS Virtual.Lab 為虛擬疲勞試驗平臺，借助CAE 軟件的數據接口，快速實現構架結構強度校核及疲勞性能仿真，并以可視化（疲勞壽命云圖）方式獲取構架的整體壽命計算結果。

2 轉向架模型的建立

2.1 轉向架構架有限元模型的建立

構架采用整體焊接結構，主要由1根心盤梁、2根橫梁和2根側梁等組焊而成。由于該構架具有對稱性，以橫梁、心盤梁的中心面為基準，采用映射的方式進行建模。采用板殼單元shell181對構架主體薄板焊接結構進行結構離散。軸箱部分采用三維實體單元solid185建模，彈簧結構用combin14模擬，并用rbe3建立彈簧與軸箱間的連接。本次共建立322645 個節點，劃分363136個單元。整體模型和局部模型，如圖1所示。

圖1 轉向架構架的有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Bogie Frame

2.2 材料屬性的設定

該轉向架構架采用Q345組焊而成，軸箱采用B級鑄鋼材料。模型的材料屬性設定，如表1所示。

表1 材料屬性Tab.1 Material Properties

3 強度計算邊界條件的確定

3.1 靜強度邊界條件

3.1.1 載荷條件

（1）垂向載荷

式中：Fz—作用在轉向架上的垂向靜載荷；Q0—每個車輪作用到軌道承受的靜載荷強度；m+—轉向架質量。

式中：Fzmax1、Fzmax2—心盤單獨、同時加載時的垂向載荷。

式中：2bg—旁承橫向中心距；ɑ0—側滾系數。

（2）橫向載荷

式中：Fymax—作用在下心盤位置的橫向載荷。

（3）軌道扭曲載荷（位移量）

按照1%軌道扭曲量計算，該轉向架的軸距為1400mm，即1、4位或2、3位線彈簧單元處垂向位移量為±14mm。

3.1.2 約束條件

在有限元模型中，強制位移約束施加在線彈簧單元處。作用在構架上的垂向載荷施加在心盤面及旁承面上，橫向載荷施加在心盤橫端面，二者均以面壓力載荷的形式加載，如圖2所示；軌道扭曲載荷作用在1、4位或2、3位線彈簧單元處，以14mm的垂向抬高量施加。

圖2 計算模型邊界條件簡圖Fig.2 Boundary Conditions of Computational Models

3.1.3 組合工況

為驗證該貨物列車在極限載荷共同作用的實際運營條件下，轉向架構架是否產生塑性永久變形，進行的超常載荷工況驗算，如表2所示。

表2 超常載荷工況Tab.2 Extraordinary Load Conditions

3.2 疲勞分析邊界條件

3.2.1 載荷條件

（1）垂向載荷

式中：ɑ—側滾系數；β—浮沉系數，依據UIC標準取為0.3；FZ—總垂向靜載，取值同式（1）。

（2）橫向載荷

式中：Fy—作用在心盤位置的橫向載荷。

（3）軌道扭曲載荷（位移量）

按照0.5%軌道扭曲量計算。

3.2.2 約束條件

約束條件與靜強度分析一致，強制位移約束都是施加在線彈簧單元處。不同的是，將施加在線彈簧單元處的軌道扭曲載荷更改為7mm的垂向抬高值。

4 焊接構架的靜強度評價

4.1 焊接構架靜強度標準

UIC規定，對由延展性較好的塑性材料組成的構架進行靜強度校核時，依據第四強度理論對其進行靜態屈服評價。

式中：[σ]—許用應力σs—材料的屈服強度；σi—主應力（i=1，2，3）；σeq—節點等效應力，即ANSYS導出的Von Mises應力。

該焊接構架的鋼材型號為Q345，構架在心盤梁及側梁處上下蓋板處最大板厚為43mm。依據GB/T 1591－2008標準[5]，此厚度條件下材料的屈服強度應大于325 MPa。基于安全考慮，同時依據EN12663標準[6]，超常工況下非焊縫區安全系數取1.15，因此其許用應力取值為282MPa。

4.2 焊接構架靜強度評價

在超常載荷工況下，轉向架最大Von Mises應力出現在第四工況，位置出現在軸箱上表面外側與構架側梁下蓋板交界處，值為238.267 MPa，小于構架在超常工況下的許用應力。

圖3 第四工況下轉向架構架合成應力云圖Fig.3 Bogie Frame Contour Plot of Stress under the Fourth Working Condition

表3 各工況下最大應力及安全系數Tab.3 Maximum Stress and Safety Factor under Various Working Conditions

4.3 小結

在靜強度分析工況下，轉向架構架最大的Von Mises應力均小于材料的許用應力，且具有較可靠的安全系數；在不同工況下，軸箱上表面外側與構架側梁下蓋板交界處、下心盤上表面與橫端面處以及轉向架構架側梁下蓋板減薄處應力較大；構架的受力變形均處于彈性變形階段，構架在去掉荷載后，不產生塑性變形，可達到UIC510－3中對構架靜強度校核的限定。

5 焊接構架的疲勞試驗仿真

5.1 LMS Virtual.Lab 平臺的介紹

LMS Virtual.Lab虛擬仿真平臺可實現快速對構架疲勞性能試驗仿真，其Durability模塊是專門用于疲勞耐久性仿真分析的集合。借助該平臺，可快速評價產品的疲勞性能。利用該平臺進行壽命疲勞分析的流程，如圖4所示。

圖4 應力壽命疲勞分析的流程圖Fig.4 Flow Chart of Stress-Life Fatigue Analysis

5.2 疲勞試驗仿真的建立

5.2.1 疲勞試驗載荷及加載

UIC標準規定的疲勞試驗邊界條件與3.2所述基本一致，但由于產生疲勞損傷主要為動態力，故只將動態力用于疲勞試驗。垂向載荷動態部分用于模擬跳動，其數值為浮沉系數乘以垂向靜載荷。橫向載荷動態部分的取值為疲勞分析時橫向載荷的50%。基于運營安全性考慮，將上述邊界條件同時施加到疲勞分析的構架有限元模型中。UIC標準規定的動態載荷疲勞加載試驗分為三階段，如圖5所示。

圖5 疲勞試驗加載三階段示意圖Fig.5 Three-Stage Diagram of Fatigue Test Loading

5.2.2 有限元計算結果的導入

該平臺提供了廣泛的數據接口，能夠直接讀取各類有限元軟件的模型和計算結果文件，并以此為基礎進行疲勞分析。將經ANSYS計算后得到的用于疲勞分析的結果文件（*.rst）添加到平臺中，如圖6所示。

圖6 轉向架構架第一工況下Von Mises應力云圖Fig.6 Bogie Frame Contour Plot of Von Mises Stress under the First Working Condition

5.2.3 載荷譜的編制

建立準確完善的疲勞試驗加載載荷譜是保證仿真試驗可靠性的關鍵。UIC標準規定疲勞試驗單側動載加載曲線的循環周期次數為20次。用于疲勞試驗加載頻率應介于（2～7）Hz之間，故疲勞仿真的加載頻率設定在5Hz。由于垂向動載荷及橫向動載荷二者加載頻率、加載幅值均相同，同時加載且采用相同的加載波形。與5.2.1中設定一致，即整體構架可采用同一個載荷譜用于疲勞試驗的仿真。依據上述設定，利用疲勞耐久性分析軟件Ncode建立上述載荷譜。

5.2.4 S-N曲線的編制

該疲勞試驗加載次數達到107高循環加載范疇，應用應力—壽命方法進行疲勞壽命估算，由常幅加載獲得的準確可靠的S-N曲線是疲勞壽命評估的基礎。根據GB/T 1591-2008及文獻[7]對Q345高周疲勞的研究，轉向架構架的材料疲勞屬性（應力比R=-1）設定如下：疲勞極限δE=264MPa，對應的NE=107，拉伸極限和壓縮極限分別為520MPa、1560MPa，曲線的斜率為7，表面狀態修正系數β=0.9，尺寸修正系數為ε=0.9，擬合后材料的S-N曲線如圖所示。

圖7 材料Q345的S-N曲線Fig.7 S-N Curve of Material Q345

5.2.5 疲勞參數的設定

依據裂紋擴展研究理論以及項目實際經驗，張開型裂紋是出現最多、危害最嚴重的裂紋。試驗模擬為多向周期性循環應力加載，屬多軸疲勞范圍。基于損傷力學的臨界面法，可依據金屬疲勞萌生的機理、作用力以及試件特性等多因素來選取恰當的損傷量，是目前應用最廣泛的一種公認的多軸疲勞壽命分析方法[8]。從外加循環應力的角度出發，零件的疲勞損傷除與外加應力幅有較大關系，并且還受到平均應力的作用。在循環加載超過二百萬次高周疲勞區域，平均正應力直接影響零部件微觀裂紋的開啟和閉合狀態。為了消除平均應力對高周疲勞的影響，采用Goodman平均應力修正方程對其補償。綜上，設定主要疲勞參數為：張開型裂紋，臨界面法，Goodman修正。

完成設定后，對上述疲勞加載工況建立組合分析，設定重復因子來達到高循環加載量級。由于先前設定單個時間歷程載荷譜的動態載荷循環次數為20次，依次將各階段的重復因子設定為30萬次、10萬次以及10萬次，經計算可得到各階段的疲勞損傷。

5.3 試驗仿真結果評價

依據Miner疲勞累積損傷理論[9]，假定在各加載階段，轉向架構架的累積損傷率為D，當累積損傷率超過限定值1時發生失效：

式中：di—各階段損傷率（i=1，2，3）。

UIC標準對于轉向架構架疲勞試驗考核要求：在第一階段不出現裂紋，并可通過無損探傷來檢驗（磁力探傷、滲透探傷），只允許在第二階段完成后及第三階段中出現實際運營中可能出現但不需要立即修復的微小裂紋。

疲勞加載第三階段為最大動態載荷加載階段，此階段代表了疲勞損傷最嚴重的工況。該階段的疲勞損傷為零，前兩個階段的結果于此一致，均無損傷，達到UIC標準要求，如圖8所示。即在基于UIC標準進行虛擬疲勞試驗加載情況下，該構架不發生疲勞損壞，滿足疲勞試驗的考核界定，屬于無限壽命。

圖8 第三階段疲勞損傷與疲勞壽命云圖Fig.8 The Third Stage Fatigue Damage and Fatigue Life Cloud Picture

6 結論

采用UIC標準對轉向架構架疲勞試驗的要求，借助LMS Virtual.Lab平臺，提出一種關于對貨車轉向架構架的疲勞試驗仿真的方法，仿真結果與仿真過程可滿足UIC標準的限定與要求，該方法與現行方法相比，可快速獲取產品的疲勞損傷危險位置與疲勞壽命云圖，縮短設計周期，降低試驗成本，對設計階段的軌道交通裝備疲勞性能的預測有較好的應用價值。但金屬材料的焊縫區域是產品的薄弱環節，建議今后的研究應結合其他疲勞分析方法，進一步對焊縫的關鍵部位進行細致的分析。