冲击载荷下车架结构瞬态响应分析

师学斌 孙亚伟

(北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京 100029)

1 前言

冲击载荷是各种机械机构日常运行时都很难避免的动力载荷，制造精度、安装误差、运行磨损等原因都会导致其发生。冲击载荷往往持续时间很短，一般由单个或几个脉冲构成，且该激励的幅值往往都大于设备正常所受的载荷。对于很多结构，冲击载荷的影响无法忽视，在设计时都需要着重考虑，例如各种车辆、飞行器、机械臂等。这些结构的性能受冲击载荷影响很大。

常见的冲击载荷根据其振型的不同可分为正弦波型、阶梯型和三角形。其作用的阶段也可分为两部分，即冲击载荷正在发生的时间内，机械结构将会受到冲击的影响做某种形式的受迫振动；当冲击结束后，冲击的残余能量还会导致结构继续振动，而这后续的振动与一阶段的受迫振动有一定的相关性。阻尼的本质就是能量消耗，当冲击的时间很短时，其对于结构的振动影响不大，但若冲击维持时间足够长时，阻尼的影响就不可忽视。这个时间的长短一般根据结构的固有频率p来判断，当冲击的持续时间大于1/p，即超过结构的固有振动周期时，阻尼的影响就不可以忽略[1]。

车架结构在工业生产和日常生活中广泛运用，它的稳定性、舒适性、安全性都要受到冲击载荷的影响。分析车架在冲击载荷下的瞬态响应并进行结构优化是一项很有价值的工作。不同的车架结构对于稳定性、舒适性、安全性等指标的要求侧重方向不同，优化时需要考虑的因素就会有所区别。还存在优化目标的各个参数之间相互影响相互制约的情形，这种多目标优化的问题就会变得十分复杂。

本文将针对某种高速有轨车辆的车架结构进行分析。该车架运行环境复杂，日常运行时会受到频繁的交变载荷影响，且行业对于安全性要求很高，车架结构需要有较高的安全系数，还需要进行疲劳强度计算。因此研究车架在冲击载荷作用下的瞬态响应以及残余振动十分有价值。

2 车架结构及其受力分析

车辆的运行受轨道控制，轨道是由一段段钢管拼接而成的，接口处受工艺影响不能保证绝对顺滑，且轨道在与支撑轨枕焊接时也会产生焊接变形，进而影响轨道的平滑度。运行过程中车辆除了承受随轨迹曲率变化而产生过载力外，还会受到轨迹不平顺而产生的冲击载荷。

图1 车架模型图1-主梁;2-牵引支架;3，4，5，6，7-承力支架;8-立轴孔;9-翼版;10、中间连接器孔

如图1所示，主梁1是车架的主承力件；牵引支架2用来安装牵引钩逆止爪，并传递牵引力；3、4、5、6、7是承力支架，用来安装车厢和压臂锁紧机构，这些零部件和乘客所产生的力也是通过这些支架作用在主梁上；立轴孔8是用来安装立轴并与轮系装配；翼版9则是为了加固各个支架；中间连接器孔10则是用来安装中间连接器并与其他车体相连。

当车辆运行时，车体带着乘客随轨迹变化不断增速或减速，车厢和乘客的受力会通过车架上的面板传递到整个车身。

3 冲击载荷下车架的瞬态响应分析

瞬态响应分析的目的是计算车架在随时间变化的激励作用下的应力应变变化等，瞬态激励定义在时间域中，每个瞬时的大小已知，激励可以是作用力和强迫运动。

瞬态响应分析获得的结果一般是节点上的位移、速度、加速度和单元(应)力。其有限元通用方程为：

(1)

结构瞬态分析结果的精度跟求解过程中积分时间步长相关性很大，但若积分时间步长取值过小，由于车架模型较复杂，整个求解过程会比较长，综合考虑后，积分时间步长确定为Δt=0.02s，这样既保证了求解精度也满足求解效率。

在所有与冲击和形变相关的研究中，阻尼的作用都是不能忽略的，阻尼直接影响结构在振动变形的过程中对能量的损耗，也对后续的形变有着直接的影响，Workbench求解器中带有Damping controls，在设定好材料后，阻尼系数可以选用Program controlled。

为更好的进行结构优化设计，首先需对车架进行受力分析，通过ADAMS动力学仿真计算可得车辆运行过程中的加速度曲线图(图2)。由图2可知，车辆正法向最大加速为42311mm/s2，此时车架也承受最大的法向力。假定此时轨道有不顺滑点，列车受到了2倍的冲击载荷，冲击时间为0.2s，将冲击载荷简化为正弦函数波，初始载荷为42311mm/s2，在0.1s时达到最大冲击，即84622mm/s2，然后再回落到初值。作用在车架上的质量(车厢、压臂支架和乘客)为700kg，将这些质量以远端质量的方式加载在车架的上端面上。

得到车架受力值后，利用ANSYS Workbench平台建立Transient Structural模块，随后将车架三维模型导入，划分网格，根据过山车的实际结构设置车架的约束条件，加载加速度，同时将车厢、乘客和压臂锁紧机构的质量转化为远端质量块，然后根据相应的装配关系分别施加在图1的3、4、6和5、7承力支架上。

仿真软件计算得到的车架应力云图如图4所示。由图4可知，车架应力分布主要集中在车头、车位、承力支架以及主梁的中上位置，两侧翼板以及主梁中部两侧位置则应力很小。随时间的变化，车架所受应力不断变化，但分布趋势趋于一致。由前文可知，0.02s与0.18s、0.06s与0.14s时，车架所受的激励相同，在图3上发现，车架在所受激励减小时，应力减小并不同步，而是出现一个延后的现象，此现象应该与车架的阻尼有关。这一现象对于分析车架疲劳是有很大影响的，因为疲劳分析中，等效应力幅是一个重要指标。

图2 列车加速度曲线图

0.02s车架应力云图

0.06s车架应力云图

0.1s车架应力云图

0.14s车架应力云图

从图3分析可知，车架应力主要集中在车头和车尾，这是因为车头和车尾是仿真计算中的两个约束位置，且该部位形状不规则，有效截面变化率高，车架在加速度的作用下，这种位置易出现应力集中。在车辆运行过程中，随着外界激励的变化，该位置的应力值变化幅值也最大，属于疲劳破坏的危险区。因此在设计车架时综合考虑车架的装配和受力情况，多采用大圆角或加强板的方式减小应力集中或增强薄弱位置。

车架在冲击结束后，受到冲击剩余能量的影响，还会进行残余振动。振动的持续时间和衰减趋势受到结构阻尼的影响[2]。在振动中，因为结构材料内部的摩擦阻力以及各个部件之间的摩擦力影响，振动的能量通过不断转化为其他能量(通常为热能)的方式逐渐减少，振动也会随之衰减，这种阻力的作用就成为阻尼作用。阻尼的大小就代表了振动系统工作时能量损耗的能力。

对于车架而言，除了要保证它不受塑性破坏影响之外，还要防止其因为长期的振动产生疲劳破坏。在现有的疲劳寿命计算中，结构件所受的交变载荷变化次数和幅值都是关键性数据，而冲击载荷的残余振动对这两个参数都有很大的影响[3]。因此，为了保证车架的安全，尽量消除冲击载荷的残余振动是很重要的一个措施。

抑制车架的振动主要有三个方向，即振动源、传播途径和对象。针对振动源主要考虑通过优化工艺的方式增加轨道的平顺度，减少或降低冲击载荷的次数和大小；针对传播途径则有主动控制和被动控制两种方式，被动控制是通过在振动源和对象间增加缓冲材料隔振弹簧等方式，减小振动源对于车架的影响，主动方式则是在轨道和车架连接的部件上增加一个主动振动系统，通过调节该振动系统的震动频率，使之与冲击载荷达到某种共振，使冲击能量主要传递到该振动系统中，降低其对主结构的影响，这种控制振动的方式适用范围很窄，但在特定的环境中有非常出色的效果；针对对象的措施则是在主结构中增加阻尼器，通过加快冲击能量消耗的方式减小残余振动对于车架的影响。

4 结论

(1)采用有限元仿真的方式分析了车架在冲击载荷下的瞬态响应，发现了车架应力随激励变化时出现的延后下降的现象，此种现象对于车架疲劳计算有很大的影响，在后续的研究中可以着重研究阻尼与延迟响应的相关性。

(2)分析车架的应力云图提出了车架优化的思路，通过结构优化减小应力集中，从而降低结构产生塑性破坏的风险。

(3)通过对于冲击载荷残余振动的分析，总结了几种降低残余振动对车架安全性影响的方案。