跨坐式单轨车辆车体结构疲劳寿命仿真

2012-01-16杜子学潘丽雯

城市轨道交通研究 2012年3期

杜子学潘丽雯

（重庆交通大学，400074，重庆∥第一作者，教授）

疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷，因此对疲劳进行研究有着重要的意义。

跨坐式单轨车辆是城市轨道交通的一种新型式，我国首次在重庆引进跨坐式单轨车辆技术，并进行自制研发。到目前为止，跨坐式单轨交通已在重庆运营了6年的时间。跨坐式单轨车辆以轻便、舒适、噪声小，及运营量大等诸多优点受到人们的青睐。但近来我国制造的单轨车辆后裙板骨架与底架连接处出现开裂现象，考虑到是疲劳损坏的原因，为此需要对该车体结构进行疲劳寿命分析。

本文对跨坐式单轨车辆的疲劳研究是利用与有限元分析相结合的方法，从时域的角度研究其疲劳寿命。分析的过程主要有以下几步：

1）获得车体材料S－N（拉伸极限－屈服极限）曲线，即获得车体材料的疲劳特性；

2）建立车体结构的有限元模型，并进行车体结构竖向弯曲工况下的静强度分析，得到其应力结果；

3）选择合适的结构疲劳寿命预测方法，根据雨流计数法将实测应力－时间历程通过分析和处理进行“编谱”，以获取载荷谱；

4）找出车体结构危险区域，采用合适的损伤法则来预测车体结构疲劳寿命。

1 车体结构疲劳寿命计算模型的建立

跨坐式单轨车辆车体构件的疲劳寿命一般较高，在作疲劳试验时构件断裂前的循环次数Nf大于1×105～1×107次，属于高周疲劳范围。因此，根据材料的S－N曲线对其进行全寿命分析是一种较为合理的分析方法。该分析方法以材料或构件的应力为基础，用雨流循环计数法和Palmgren－Miner线性累积损伤理论进行疲劳分析，可以选择不同的平均应力修正方法。材料的S－N曲线也可以根据指定表面抛光和热处理方法进行修正。这种方法对裂纹的产生和扩展不加以明确的区分，能够预测到有较大的损伤或破坏为止的总寿命。

重庆单轨车辆的车体主要使用LC超硬铝和5083铝合金材料，按照相关理论，可以通过材料的极限拉伸强度和弹性模量来估计材料的S－N曲线。通过估计得到的LC超硬铝和5083铝合金的S－N曲线如图1、图2所示。

车体载荷加速度谱可以通过试验实测，也可以通过多体动力学仿真得到。本文采用多体动力学仿真方法，例如在60km/h的速度下仿真计算，得到其车体中心销处的竖向加速度时间历程（如图3所示）。该随机载荷谱的加速度幅值为0.33m/s2，均值为0；主频为1.5Hz。

建立疲劳计算模型时，首先将静态应力分析结果导入疲劳分析软件中，然后将动力学分析所得的载荷谱加入模型，并采用Goodman方法修正其平均应力，最后对材料的循环特性进行定义，得到材料的S－N曲线。

图3 车体中心销处竖向加速度－时间历程

2 车体结构疲劳寿命计算与结果分析

车体结构静力分析结果如图4所示。基于图4分析结果，对该车体进行疲劳寿命分析，得到车体疲劳寿命较短的前20个点的疲劳寿命结果如图5所示。从图5得知，疲劳寿命最短的节点编号为1140627（在裙板连接梁处），可经受的循环次数为31 156次。该车每天运行12个这样的循环，该节点疲劳寿命为31 156÷12÷365＝7.1年，小于预期的使用寿命25年，因此需要进行改进，使其达到设计寿命。车体最易发生疲劳的部位主要在裙板连接梁处，其疲劳寿命云图如图6、图7所示。

图4 车体结构静力分析应力分布云图

3 结语

该仿真结果与该车体实际出现疲劳裂纹的时间和位置基本吻合，说明了使用该仿真分析方法对跨坐式单轨车辆车体进行寿命预测是可行的。从而可以使用该疲劳寿命仿真方法以缩短新车型的开发周期、节约样车的制造费用，给车辆轻量化设计提供参考；而且可以通过结构改进，并继续使用该仿真方法来预测车体的疲劳寿命，以使车体的疲劳寿命达到规定的使用年限。该仿真分析研究为车辆的疲劳寿命预测提供了较为可靠的流程和方法，并可判断车辆车体疲劳寿命的薄弱位置。