基于不同焊缝结构的单轨车辆转向架构架疲劳分析

2021-01-18文孝霞杜子学孔得旭

重庆交通大学学报(自然科学版) 2021年1期

文孝霞，姜路，杜子学，孔得旭

(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074)

0 引言

转向架作为轨道车辆的重要组成部分，是众多部件联结的主要结构件，也是承载和传递力的基体。其上部与主车架以及车厢等部件配合，下部悬挂有轮对以及轴箱等部件，起着承上启下的作用。为保证跨座式单轨车辆的安全可靠，须对转向架构架进行结构强度分析。

学者对轨道车辆转向架的结构进行了研究。Y. LU等[1]采用加速寿命试验(ALT)方法预测了转向架构架的疲劳损伤，分析了加速度系数对整体构架的影响，为大型结构的可靠性评估提供了参考；Y. LU等[2]还研究了振动模态对疲劳损伤的影响，通过改善转向架构架的动态性能，有效提高了转向架构架的疲劳可靠性。K.W.JEON等[3]对城市地铁用GFRP复合材料转构架进行了疲劳寿命与强度的研究，得到与传统金属转向架相比，GFRP复合材料转向架具有较好的疲劳性能；谢鸣等[4]基于等效热点应力法对转向架机构进行了疲劳估计，降低了计算量，提高了计算求解精度。

上述研究注重于转向架整体疲劳估计、转向架受载影响以及整体结构强度分析等较为宏观的问题，对于不同焊缝结构形式对于构架影响及优化通常未予考虑[5]。但单轨转向架工作环境复杂、工况繁多，疲劳裂纹首先发生在焊缝位置，焊缝的疲劳可靠性决定了构架的疲劳可靠性[6,7]。同时，焊缝位置通常伴有应力集中，导致焊缝位置发生疲劳损伤，影响焊接构件的整体疲劳强度[8]。此外，在焊接过程中，焊接变形、残余应力等主要缺陷是不可避免的，这将影响装配精度，增加制造成本。因此，在结构分析中，应考虑焊缝结构对焊接件的影响，以提高结构分析的精度以及有效性。笔者以单轨车辆转向架构架为研究对象，建立带焊缝结构的转向架构架有限元模型，对其进行了静强度分析、疲劳强度分析以及疲劳损伤评估。针对电机箱处焊缝，分析了多种焊缝结构类型下的转向架疲劳寿命，期望获得能够满足转向架构架强度要求的焊缝结构形式。

1 转向架静强度

静强度分析主要用于求解结构在与时间无关，或时间作用效果可忽略的静力载荷响应，并得出所需的位移、应力和应变能等，是使用较为频繁的分析方法。对转向架构架进行静强度分析，以判断转向架构架结构在各个工况下应力较大部位。

以转向架构架为对象，利用Hypermesh对构架进行网格剖分，建立焊缝有限元模型，得到包含焊缝单元的转向架构架有限元模型。为提高焊缝模型精度，转向架构架焊缝单元采用ruled单元模拟，且均为四边形单元。此外，焊缝单元大小定义为最小板厚的2倍。转向架构架有限元模型共离散为1 650 428个单元，980 133个节点。整体模型和局部焊缝模型如图1。

图1 带焊缝结构的转向架构架有限元模型Fig. 1 Finite element model of bogie frame with weld structure

对有限元模型进行材料、约束以及载荷等进行定义，其构架的材料采用Q345D和S355，材料属性如表1。在静强度分析时需要考虑多方面的载荷工况，参照标准BS EN13749—2011《转向架构架结构要求规范》、TBT 1335—1996《铁道车辆强度设计及鉴定规范》和UIC615—4《转向架结构强度试验方法》，对运营载荷工况下和超常载荷工况下的7种工况进行了载荷计算，依据笔者团队对单轨车辆实际运行情况的研究与分析，基于有限元分析方法对转向架构架进行了静强度分析，以判定构架静强度是否满足设计要求。典型载荷工况中满载工况下转向架构架的静强度分析，其约束位置、载荷作用位置及其载荷大小依据满载工况设置，如表2、图2。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

表2 满载工况载荷表Table 2 Load table for full load working condition

图2 转向架构架约束位置及载荷作用位置Fig. 2 Constraint position and load acting position of bogie frame

经分析，应力云图如图3。由图3可知，转向架构架在载荷作用下，电机箱焊接处应力值为167.1 MPa，为转向架构件应力值最大处，此处应力值均小于材料Q345D和S355的屈服应力值，满足构架的强度要求。此处较大的应力值将影响转向架构架的疲劳寿命，在疲劳强度分析时是值得关注的区域。

图3 转向架构架应力云图Fig. 3 Stress nephogram of bogie frame

2 转向架焊缝疲劳分析

2.1 准静态应力法

准静态应力法[9]和模态分析法[10]是疲劳寿命分析加载时较为常见的方法。在实车测试发现，跨座式单轨车辆行驶时的主要激振频率为6～10 Hz，通过模态计算发现转向架构架固有频率的一阶模态频率为22.2 Hz。由此可知，第一阶固有频率高于路面所带来的激振频率，不会发生共振现象，因此采用准静态应力法对转向架构架关键焊缝进行疲劳分析。

准静态应力法是一种在外载荷作用下的线弹性结构应力分析方法，其主要思想是计算特定载荷工况下，在任一时刻相同结构位置和方向作用的单位静态载荷所引起的弹性应力应变状态,然后将其与对应的实测或动力学仿真获得的载荷谱按时间叠加。因此，分别进行单位载荷作用下的应力分析，通过载荷历程和单位载荷产生的静态应力影响因子(stress influence coefficient, SC)相乘叠加原则，计算结构上应力历程[11]。这种方法适用于大多数的线弹性机械结构，是计算车辆结构动应力比较广泛的时域分析方法。

某节点准静态应力计算如式(1)[11]：

(1)

式中：n是应用载荷历程的数量；σxi、σyi、σxyi是应力影响系数，i∈[1,n]。应力影响系数由在结构部件相同位置和方向与载荷历程F1(t)相当的单位载荷决定。

2.2 焊缝疲劳应力影响因子的确定

笔者采用2.1中准静态载荷应力法，将单位载荷施加于稳定轮、导向轮、走行轮以及空气弹簧座所对应的转向架构架关键部位，并通过应力影响因子对上述部位的单位载荷进行叠加，得到构架疲劳损伤评估结果[12]。其中，左、右空气弹簧单位载荷下应力影响因子如图4。由图4可知左、右空气弹簧单位载荷下应力影响因子分别为1.513×10-3、1.554×10-3。后期疲劳分析中，左、右空气弹簧的动载荷历程，应为轮轨作用力乘以其单位载荷下应力影响因子。

图4 左、右空气弹簧单位载荷下应力影响因子Fig. 4 Stress influencing factors of left and right air springs

2.3 焊缝的定义

在疲劳分析软件FEMFAT中对焊缝进行定义，如图5。为了降低“剖口”尺寸对焊缝性能影响，利用搭接焊缝首尾相连模型来提高模型精度[14]。由图5可知，黑色框架为笔者所构建的焊缝结构，均采用四边形网格，共定义了1 064条焊缝。同时，为了能更精确的进行材料疲劳评估，定义焊缝材料为S355，并基于应力幅和平均应力对该材料S-N曲线进行修正，修正后的S-N曲线如图6中节点N1122905。

图5 定义焊缝结构后的构架模型Fig. 5 Model of frame after defining weld structure

图6 S355焊缝材料S-N曲线及其修正曲线Fig. 6 S355 weld material S-N curve and its correction curve

2.4 疲劳载荷谱的获取

采用动力学仿真分析方法获得载荷谱，利用Adams建立了单轨车辆动力学仿真模型，如图7。

图7 单轨车辆多体动力学模型Fig. 7 Multi-body dynamic model of monorail vehicle

载荷时间历程选取参考重庆2、3号线和笔者团队的项目经验，主要考虑直线下50、75 km/h、弯道分别占比5%、10%、15%、20%共六种工况。笔者考虑最为恶劣的弯道占比20%工况进行研究，结合重庆2、3号线和轨道公司提供的数据，设定弯道半径为200 m，参考GB50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》，确定单轨车辆在满载工况下能够达到61 km/h的极限速度。通过Adams对单轨车辆进行动力学分析，可得稳定轮、导向轮、走行轮以及空气弹簧座所对应的转向架构架关键部位在0～20 s内的载荷时间历程。走行轮载荷时间历程示意如图8。

图8 走行轮载荷时间历程Fig. 8 Load time history of walking wheel

2.5 焊缝疲劳损伤评估

将材料属性、载荷谱文件定义于FEMFAT疲劳软件中，得到疲劳寿命估计云图如图9。此外，FEMFAT疲劳软件可输出计算构架材料的海格图(Haigh-diagram)，如图10。图10中包含了原始海格图、修正后的海格图以及危险点位置，可以看出危险点在修正后的Haigh图下方，表示结构最危险的节点依然符合疲劳强度要求。

图9 转向架构架疲劳寿命估计云图Fig. 9 Nephogram of fatigue life estimation of bogie frame

图10 转向架构架材料海格图Fig. 10 Haigh diagram of bogie frame material

由图9可知，疲劳循环次数在位于转向架构架电机箱焊缝处最低，为2.04×108，与2.2中静强度分析时应力值最大位置所对应。此位置实际焊缝形式如图11，为单面角T型焊缝。为了优化此处T型焊缝的疲劳寿命，提高其疲劳循环次数，需在FEMFAT疲劳软件中定义不同类型的“T”型焊缝形式，以得到最优的“T”型焊缝形式。

图11 转向架构架电机箱处焊缝形式Fig. 11 Weld form at motor box of bogie frame

2.6 焊缝结构优化分析

将7类焊缝结构形式(单面角焊缝、DHV型焊缝、HV型焊缝、DHY型焊缝、双面角焊缝、HY型-单面角组合焊缝、HY型焊缝)依次定义于构架电机箱附近的焊缝位置，并分别进行疲劳寿命估计，得到不同结构焊缝位于构架电机箱处的循环次数如表3。

由表3可知，HV型焊缝形式能够达到的疲劳循环次数最高，为3.46×108次。这是由于焊接熔深与焊缝厚度是影响焊接构件的因素，HV型焊缝相较于单面角焊缝、HY型焊缝具有更大的焊接熔深，相较于DHV型焊缝、DHY型焊缝、双面角焊缝以及HY型-单面角组合焊缝具有较大焊缝厚度，因此在7类焊缝结构得到疲劳寿命估计结果中，HV型焊缝形式能够最大限度的提高转向架构架整体的疲劳强度。相较于转向架实际应用的单面角焊缝形式，HV型焊缝形式如应用于构架，电机箱焊缝处的疲劳寿命可提高69.6%。