罐车车体结构疲劳损伤规律研究*

王 萌，李 强，王斌杰，张友印

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京100044)

罐车车体结构疲劳损伤规律研究*

王 萌，李 强，王斌杰，张友印

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京100044)

基于U80H型罐车的线路实测动应力响应数据，分析了载重、运行速度对罐车车体结构疲劳损伤的影响规律。研究结果表明:牵引梁与车体其他部位连接处是罐车车体结构疲劳强度薄弱区域;轴重对车体结构损伤呈非线性影响，在大轴重的情况下损伤随轴重的增加急剧增加;存在车体结构损伤最小的车辆运行速度，采用合理的车辆运行速度可有效延长车辆的使用寿命。根据所得车体结构疲劳损伤规律，分析得到车辆最大轴重时的最快运行速度及最快运行速度下的最大轴重。

结构疲劳损伤;U80H罐车车体;动应力测试;损伤规律应用

随着货车运行速度及运用载重的增加，货车车体的疲劳损伤随之加剧［1］，货车安全运营面临愈加严峻的考验。罐车作为中国铁路货运列车的重要组成部分，在铁路运输中占有重要地位，因此对罐车车体结构的疲劳损伤规律研究具有重要的现实意义。

基于国内诸多学者对铁路货车的研究结果［2-4］，影响货车受力状况和运行性能的主要是车钩载荷的作用，而列车载重和运行速度［5］很大程度上决定了车钩载荷的作用状态。本文根据U80H罐车的实线测试数据，对影响列车疲劳结构强度的载重和运行速度两个因素进行分析，研究了罐车车体结构在实际运用工况下的疲劳损伤规律。

1 试验测试方案

为研究罐车车体的损伤规律，需要确定罐车车体结构上的动态应力响应测点。动应力测点一般根据有限元静态强度分析、结构细部应力集中情况及实际应用损伤严重部位［6］综合进行确定。

罐车车体在纵向、横向上均属于对称结构，故可取车体1/4结构建模进行有限元分析，将研究的U80H罐车离散为图1所示30 mm大小的71 221个板壳单元，对结构施加对称约束，在车体的前、后从板上分别施加拉、压车钩载荷，分析获得该罐车的静态强度关注测点;通过分析车体细部结构，尤其主焊缝区域及结构复杂等应力集中区域，确定车体的结构关注测点;根据以往罐车车体结构的应用情况，确定车体的运用关注测点。综合上述分析，确定U80H型罐车车体的动应力测点位置如图2所示。

图1 U80H罐车车体有限元模型

图2 U80H罐车车体动应力测点位置

为较全面的研究载重和速度对罐车车体结构疲劳强度的影响，确定的实线试验测试方案如表1所示。

表1 实线试验测试方案

表1所示的测试均在长沙东—古培塘区间往返测试，每个往返138 km。本次测试采用120 Ω温度补偿应变全桥测试，选用HBM公司eDAQ32型动态数据采集系统，采样频率500 Hz。

通过分析所测数据，获得罐车车体结构疲劳损伤规律。

2 损伤规律分析

对累积所测25 t轴重工况904.4 km和27 t轴重工况1 440.2 km数据的应力—时间历程分别进行雨流计数［7］，获得各测点的8级应力谱，根据统计所得应力谱按照式(1)进行损伤计算。

式中D为测点损伤;C、m为测点所对应的焊接接头SN曲线参数;σi为各级应力水平;ni为各级应力作用频次。

所得各测点的损伤情况如图3所示(18测点损坏)。

从图3中可以看出，U80H罐车车体疲劳强度薄弱区域非常集中，位于牵引梁与枕梁下盖板连接处(测点2，3，19，22)、牵引梁腹板尾端与罐体加强板连接处(测点5，8，13，14)及横梁与下侧梁连接处(测点16)区域。对罐车车体结构疲劳损伤规律的研究也主要以上述区域为主。

2.1 动态应力响应规律

有限元分析表明疲劳损伤最严重区域(测点3)对纵向车钩载荷的应力响应明显，因此车体在实际运行中受到车钩牵引载荷、制动造成的纵向冲击时，均会出现明显的拉或压应力响应。

选取表1所示27 t轴重下的5次测试数据，将测点3在不同速度级下的最大动应力响应波形绘于图4。从图中可以看出70，80，90 km/h速度级下动应力最大值出现在持续拉应力状态;60，100 km/h速度级下动应力最大值出现在拉应力短时突变状态，这两种响应形式均因车体受纵向车钩载荷(纵向牵引或纵向冲击)引起，因此纵向车钩载荷是造成车体结构大应力循环的主要影响因素。另外从图中可以看出在相同的线路及载重条件下，除90 km/h外，其他速度级下的动应力响应最大值普遍较大(大于70 MPa)，90 km/h速度级下的动应力响应最大值明显小于其他速度级(约58 MPa)。

为进一步分析车体动应力响应规律，将27 t轴重90 km/h工况下损伤最大区域对称位置测点2，测点3的最大应力响应绘于图5。从图中可以看出:

(1)测点2，3的应力响应整体变化趋势相同，由此可推断车钩载荷对损伤最大区域的应力响应起主导作用;

(2)测点2，3的应力响应的细部波动相位不同，表明存在其他车辆振动载荷的耦合作用，引起车体结构较高频率的动应力响应。

经雨流计数统计的应力谱可有效表示所测数据全程的应力循环情况。27 t轴重不同速度级下损伤最严重区域(测点3)的雨流计数应力谱如图6所示。从图中可以看出，90 km/h速度下的应力谱线较其他应力谱线左移，说明该运行速度有效降低相同循环频次的应力幅值或降低相同应力水平的循环频次，从而使得车体疲劳损伤程度较其他速度工况有所降低。

图6 不同速度级测点3雨流应力谱

2.2 轴重对损伤的影响

对U80H罐车车体结构在25 t、27 t轴重相同线路、相同速度下的应力—时间历程子样进行分析，计算所得疲劳强度关键部位两种轴重下的损伤情况如图7所示。从图中可以看出，若将各测点的实测数据反向延长线与损伤坐标轴(y轴)相交，会得到相当大的负截距，而结构损伤值不可能为负，因此轴重对结构损伤的影响关系呈现出非常强的非线性。

就本次测试而言，罐车轴重由25 t变为27 t后，虽然载重只增加8%，但最大损伤却增至原来的1.7倍左右，即27 t轴重使用寿命比25 t轴重下降约41%。因此，载重是罐车车体结构损伤非常重要的影响因素，尤其在重载区间，结构损伤随载重的增加迅速加快。

图7 车体结构损伤与轴重的关系

2.3 运行速度对损伤的影响

按照表1所示试验方案，U80H型罐车在27 t轴重条件下，按照60，70，80，90，100 5个速度级，在"长沙东—古培塘"试验线路区段分别测试一个往返，每个往返138 km。对测得5个不同速度级下的"应力—时间"历程进行雨流计数，并按照式(1)进行损伤计算，得到U80H罐车车体结构疲劳强度关键部位的损伤情况如图8所示。

从图8中可以看出，除90 km/h外，随着列车运行速度的提升，车体结构损伤有增加的趋势，但在90 km/h运行速度下损伤大量减少。表明车辆系统在运行时，若以最小损伤为目标函数，存在最优运行时速。对80，90，100 km/h数据点进行二次多项式函数拟合，结果如图9所示，得出列车的损伤最小运行时速为88.78 km/h。采用合理的车辆运行速度可有效延长车辆的使用寿命。

图8 车体结构损伤与运行速度的关系

图9 损伤—速度二次多项式拟合结果

3 损伤规律的应用

根据分析所得罐车结构损伤规律，可以确定满足实际应用要求的列车最优运行条件。

3.1 最大轴重的最快运行速度

设车辆最大轴重为27 t，依据测试所得罐车车体结构损伤规律确定车辆安全运行300万km的最快运行速度。

以罐车车体结构疲劳强度最弱的测点3区域的损伤程度为限定条件，根据测试公里数及图9的拟合结果，测点3每百公里损伤与80～100 km/h速度之间的关系为

解式(3)取较大速度，可得车辆最大27 t轴重下车辆安全运行300万km的最快速度为99.19 km/h。

3.2 最快运行速度的最大载重

设车辆最快运行速度为100 km/h，依据测试所得罐车车体结构损伤规律确定车辆安全运行300万km的最大列车轴重。

依旧以罐车车体结构疲劳强度最弱的测点3区域的损伤程度为限定条件，假设25～27 t区间内损伤与载重大致如图7呈线性关系，测点3每百公里损伤与25～27 t轴重之间的关系为

取安全系数1.3，则300万km最大轴重满足下式

取安全系数1.3，则300万km最快运行速度满足下式

解式(5)可得车辆最快运行100 km/h速度下车辆安全运行300万km的最大轴重为26.54 t。

4 结论

通过对线路实测动应力响应数据分析可以得到如下结论:

(1)对于U80H型罐车车体，疲劳强度薄弱区域集中在3个部位:牵引梁与枕梁下盖板连接处、牵引梁腹板尾端与罐体加强板连接处及横梁与下侧梁连接处区域;

(2)轴重是罐车车体结构损伤非常重要的影响因素，尤其在重载区间，结构损伤随载重的增加迅速加快。U80H罐车轴重由25 t变为27 t后，载重增加8%，但最大损伤增至原来的1.7倍左右，使用寿命下降约41%;

(3)合理的运行速度可有效降低相同循环频次的应力幅值或相同应力水平的循环频次，从而使得车体疲劳损伤程度较其他速度工况有所降低。因此采用合理的车辆运行速度可有效延长车辆的使用寿命。U80H罐车车体损伤最小运行速度为88.78 km/h;

(4)纵向车钩载荷是造成车体结构大应力循环的主要影响载荷;

(5)根据分析所得罐车结构损伤规律，可以确定满足实际应用要求的列车最优运行条件。

由于试验条件限制，本次试验研究只获得U80H车体结构部分运行工况下的疲劳损伤规律，更全面的规律需要进一步细致的试验测试与分析。

［1］ 魏玉光，韦俊峰，于跃斌，等.运煤专用敞车最大合理轴重研究［J］.中国铁道科学，2014，35(3):97-101.

［2］ 徐倩，王悦明，倪纯双.重载列车纵向冲动分布试验研究［J］.中国铁道科学，2013，34(4):77-83.

［3］ 孙树磊，李芾，黄运华，等.重载列车动力学数值模拟［J］.振动与冲击，2013，32(10):69-73，9.

［4］ 魏伟，赵旭宝，姜岩，等.列车空气制动与纵向动力学集成仿真［J］.铁道学报，2012，34(4):39-46.

［5］ 杨春雷，李芾，付茂海，等.重载货车轴重与速度匹配关系研究［J］.中国铁道科学，2012，33(3):92-7.

［6］ 王萌.地铁转向架构架疲劳评价与载荷谱试验研究［D］.北京:北京交通大学，2011.

［7］ LEE Y L，PAN J，HATHAWAY R B，等.张然怡译.疲劳试验测试分析理论与实践［M］，北京:国防工业出版社，2011.

Study on Structural Fatigue Damage Law for Tank Car Body

WANG Meng，LI Qiang，WANG Binjie，ZHANG Youyin
(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Based on the real road dynamic stress test data of U80H type tank car body，the structural fatigue damage law has been analyzed for tank car body from axle load to operating velocity.The analysis results showed that the weak fatigue strength position is in the area where the draft sill and other parts are connected;the axle loads has made a nonlinear effect on car body structure damage，and the damage grew sharply as the axle loads grew;the minimum damage running speed did exist，so that a reasonable operating speed made a longer car body operating life.According to the car body structural fatigue damage law founded，the fastest running speed under the heaviest axle load and the heaviest axle load under the fastest running speed have been found.

structure fatigue damage;U80H tank car body;dynamic stress test;damage law application

U272.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.05

1008－7842(2015)02－0019－04

*“863”计划(2012AA112001);北京高等学校“青年英才计划”(YETP0566);北京交通大学基本科研基金(2013YJS077)王萌(1987—)男，博士研究生(

2014－09－28)