高速動車組車體動應力特性研究

吳雙連，鄭偉，孫衛平，李爽，楊廣雪

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044）

0 引言

車體作為高速列車的重要承載部，對車輛的運行安全至關重要。最早一批設計時速380公里動車組列車運營時間已經超過了十年。為了檢測動車組安全狀況，充分了解實際運營條件對動車組安全運行的影響，探究關鍵部件動應力及振動等參數變化規律，對運營列車進行實時跟蹤試驗十分必要。

本文針對時速380公里動車組車體，安裝動應力及振動檢測設備進行長期跟蹤測試，獲得了端部底架的動應力，積累試驗數據。

1 測試方案

試驗車輛選擇時速380公里速度等級動車組,對動車組車端部底架的關鍵部位進行動應力及振動長期跟蹤測試。跟蹤數據采集累計測試里程54.4萬公里，測試線路包括滬昆高速，貴廣高速，成渝高速等線路。

跟蹤測試系統共有三級，第一級系統使用傳感器直接測量測試需要的有用信息；第二級系統為信號采集裝置；第三級系統主要是調試、控制和監控系統[1]。

在列車高速運行時，車體的受力和振動狀況較為復雜，綜合考慮有限元仿真確定的靜應力較大的部位、以往試驗確定的動態關注點和車體的焊接結構，最終確定測點位置。動應力測點具體位置分布如圖 1所示。

圖1 車端部底架區域動應力測點布置圖

2 疲勞評估方法

與靜強度問題不同，結構的疲勞是一個損傷不斷累積直至最后斷裂的過程。承受應力譜作用的結構疲勞屬于變幅載荷下的結構疲勞問題。與恒幅載荷下的結構疲勞情況不同，在變幅載荷下低于恒幅疲勞極限的應力水平對于結構的損傷也可產生顯著的影響，因此變幅載荷下結構的疲勞評估須考慮各級應力水平對結構疲勞損傷的貢獻。對于變幅載荷下結構的疲勞評估，比較方便的做法是將應力譜按損傷相當的方式等效為恒幅應力幅，稱之為等效應力幅，該等效應力幅可以反映結構在一定的工藝條件、運用狀況和運用里程（運用時間）下的動應力狀況。將等效應力幅與結構在相同工藝條件和指定可靠度下的疲勞極限（稱之為疲勞許用應力幅）進行比較，可以評估結構在一定的運用條件和指定可靠度下的疲勞強度[2]。

本文采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA針對變幅加載條件所推薦的S—N曲線形式計算等效應力幅，采用這一方法可使各級應力水平產生的損傷均得到合理的考慮，并使評估結果略偏保守[3-4]。計算時按照下式進行：

式中，L為安全運用公里數；L1為實測公里數；N為焊接接頭疲勞極限所對應的應力循環數；為各級應力幅值；ni為各級應力循環數；m為S-N曲線參數。

3 測試結果與車體疲勞評估

測試工作結束后，采用北京交通大學結構強度研究室自研軟件進行數據初步處理，統計測試數據結果的最大、最小應力、動應力幅值以及按照上述方法計算得到的等效應力。為了消除其他因素干擾，在對車體鋁焊縫測點進行處理時進行了200Hz低通濾波和50Hz、100Hz、150Hz帶阻濾波處理。

3.1 動應力測試結果

以動車組72天數據為基礎，計算動應力測點的等效應力幅。各應力測點等效應力最大值為5.7MPa，出現在SY1017測點處。SY1017測點的頻域圖如下圖 所示。可以看出主頻分布在8.7Hz、12.6Hz附近。

圖2 車體SY1017測點頻域圖

3.2 疲勞強度評估

根據Miner線性疲勞累積損傷法則和材料（焊接接頭）的S-N曲線，各測點等效應力值若小于疲勞許用應力22MPa，則車體結構滿足運營要求，反之，不能通過疲勞強度校核。車體各應力測點等效應力最大值為5.7MPa，出現在SY1017測點處，均小于疲勞許用應力22MPa，滿足運營要求[5]。

4 車體動應力特性分析

為了探究車體測點動應力和運營條件之間的關系，分別計算各個交路下車體測點等效應力并進行對比分析，如圖3所示。

圖3 車體測點等效應力隨交路變化曲線

可以發現測點SY1015、SY1017、SY1016、SY1022、SY1020、SY1029等效應力在3MPa~6MPa之間，其余測點等效應力均小于3MPa；部分測點和運營交路相關性較大。

為了進一步分析，選取D5500-G1539合肥南-昆明南交路運行數據和G1540-D5499昆明南-合肥南交路運行進行頻域分析，測點主頻相差不大，但是在昆明南-合肥南運行區間測點主頻能量值更高。如圖 4~圖 5所示。

圖4 G1540-D5499交路應力較大測點頻域圖

圖5 D5500-G1539交路應力較大測點頻域圖

通過對比測點動應力數據,可以得到等效應力與運營條件呈強關聯性。

5 結論

（1）基于Miner線性疲勞累積損傷法則和材料的S-N曲線對車體進行疲勞強度評估，結果表明，車體各應力測點等效應力最大值為5.7MPa，均小于疲勞許用應力22MPa，滿足運營要求。

（2）等效應力受運營條件影響較大，在不同交路以及相同交路不同運行方向上等效應力差距明顯。這些等效應力較大且受運營條件影響明顯的測點，在以后的研究中可以看作重點動態關注點，其等效應力數值和規律也可以為整車壽命預測和結構設計優化提供數據依據。