城轨列车转向架铝合金焊接枕梁的抗疲劳设计
刘志明1, 张冉2, 连青林1
1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044
2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程研究中心,山东 青岛 266111

第一作者:刘志明(1966—),男,北京人,教授,博士,博士生导师. 研究方向为结构疲劳及可靠性.email:zhmliu1@bjtu.edu.cn

摘要

以城轨列车转向架铝合金枕梁为研究对象,基于Miner线性累积损伤理论和NASA小载荷S-N曲线延伸法,对枕梁主要焊缝进行了疲劳寿命评估.依据线路实测数据得到枕梁的载荷工况,设计了枕梁的疲劳试验方案.对没有通过疲劳试验的区域,采取了优化连接筋板厚度和减小应力集中等措施.结果表明铝合金枕梁新结构能够满足疲劳寿命要求.

关键词: 转向架; 铝合金; 焊接枕梁; 疲劳寿命
中图分类号:U270.12 文献标志码:A
Anti-fatigue design of aluminum alloy welded bolster of urban rail train bogie
LIU Zhiming1, ZHANG Ran2, LIAN Qinglin1
1.School of Mechanical Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China
2.National Engineering Research Center, CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao Shandong 266111 China
Abstract

It takes the aluminum alloy bolster of bogie as the study object in this paper. The fatigue life of main welds in bolster was evaluated based on Miner linear cumulative damage theory and NASA small load S-N curve extension method. Calculated work conditions were obtained from measured data in field tests, and fatigue test scheme for bolster was designed. Then measurements of optimizing the thickness of joint stiffeners and minimizing stress concentration were taken in areas that failed to pass the fatigue test. Finally it is verified that the new aluminum alloy bolster of bogie can meet the demand of fatigue life after improvement.

Keyword: bogie; aluminum alloy; welded bolster; fatigue life

随着中国轨道交通的快速发展, 铝合金因其重量轻、强度高和抗腐蚀等优点, 已成为我国高速动车组和地铁车辆主要的应用材料.为了满足铁路车辆高速化和轻量化的需求, 车辆结构大多数采用焊接形式进行连接, 在焊接过程中由于存在气孔和夹渣、未焊透和未熔合等原因, 极易使焊缝产生缺陷, 影响部件的疲劳寿命[1].董平沙[2]假设不同可靠度的S-N曲线的斜率相等, 定义了一种数值分析焊接接头结构应力的方法; M. Kassner[3]比较分析了铁路车辆焊接结构疲劳强度分析的不同方法; R.K.Luo[4]等结合有限元方法研究了地铁的转向架构架, 并估算其疲劳寿命; 何如[5]研究了铝合金材料焊接接头的疲劳性能.但是, 目前的研究主要针对轨道交通车辆的车体和转向架上焊接的大部件[6, 7, 8], 如车顶、侧墙、底架和构架等, 而对于枕梁这一车体与转向架连接的关键部件研究较少, 尤其是对铝合金焊接枕梁的研究更少.

本文作者以城轨列车转向架铝合金枕梁为研究对象.对其主要焊缝进行疲劳寿命评估, 根据实测工况设计疲劳试验, 对不满足疲劳寿命要求的区域进行局部改进, 试验结果表明改进后的铝合金枕梁能够满足疲劳寿命要求.

1 疲劳寿命计算方法

研究表明, 材料和结构的寿命可由应力S与达到破坏时的寿命N之间的关系描述.S-N曲线是反映应力水平和应力循环次数之间关系的曲线, 是寿命评估的重要依据[9].与恒幅载荷下的结构疲劳情况不同, 在变幅载荷下, 低于恒幅疲劳极限的载荷对结构的损伤也可产生影响, 因此变幅载荷下结构的疲劳评估须考虑各级载荷水平对结构疲劳损伤的贡献.目前工程上一般采用Miner线性累积损伤理论, 但对于低于恒幅疲劳极限的载荷如何考虑, 存在不同方法.NASA针对变幅加载条件下, 推荐采用直接延伸S-N曲线的形式进行疲劳损伤计算[10], 如下式

N·Ssm=Ci(1)

式中:N为代表疲劳寿命的循环次数; Ss为材料的疲劳极限; Ci为材料S-N曲线常数.

由于S-N曲线中考虑了焊缝局部缺口的影响, 因此结构应力作为一个整体性的应力度量, 不用考虑几何不规则对焊缝局部的影响.通过焊缝处的节点力和外力相平衡这一条件, 可运用有限元法来计算结构应力.由于弯曲应力和膜应力是结构应力的主要组成, 因此由结构应力可以体现焊缝上的应力集中.用Δ Ss代替Ss表示等效结构应力变化范围, 则基于Miner线性累积损伤理论[11], 焊缝疲劳寿命计算公式可以采用下式进行

N=CdmΔSsm(2)

式中:N为代表疲劳寿命的循环次数; Cdm为S-N曲线试验常数.

2 铝合金焊接枕梁应力仿真分析
2.1 铝合金枕梁结构

铝合金枕梁外表接近流线型, 采用在上、下盖板之间设立筋板和立板的方式, 其中上、下盖板厚度14 mm, 内部立板和筋板的厚度8 mm, 焊接件两段为空心结构, 枕梁中间有12条筋板, 能够增加其承载能力, 同时焊接长圆坡在上盖板上, 增加车体枕梁的结构强度.枕梁结构示意图如图1所示.

图1 枕梁三维模型Fig.1 Three-dimensional model of bolster

2.2 有限元模型建立

应用HyperMesh软件建立含焊缝细节的枕梁有限元模型, 如图2(a)所示.采用壳单元网格划分技术对实体模型进行网格划分, 为了更好地模拟实际的车体, 靠近枕梁的结构即侧梁、地板框架及一些加强板也进行了相应的网格划分, 如图2(b)和图2(c)所示.

图2 含焊缝细节的有限元模型Fig.2 Finite element model including the weld details

2.3 静强度计算

根据C151A车辆枕梁相关要求, 静强度计算载荷及工况如表1所示.

表1 静强度计算工况 Tab.1 Static strength calculated work conditions kN

采用Ansys软件进行有限元强度分析, 施加载荷后, 枕梁的Von-Mises应力云图如图3所示.可见, 枕梁应力最大值发生在盖板与筋板连接的焊缝位置.

图3 枕梁Von-Mises应力云图Fig.3 Von-Mises stress nephogram of bolster

2.4 焊缝结构应力分析结果

根据枕梁静强度分析结果和枕梁的焊接形式来确定疲劳寿命评估的部位, 并评估该部位的焊缝寿命, 本文确定了枕梁68条待评估的焊缝.

疲劳强度仿真计算中, 垂向施加静载荷, 荷载幅值为125 kN, 方向为垂直枕梁旁承座向下, 纵向按照牵引和制动工况正弦周期性施加载荷, 荷载幅值为60 kN, 加载频率为5 Hz.

在有限元计算结果中, 通过提取各工况有限元结构的节点力, 计算各焊缝的结构应力S及相应的等效结构应力E.

其中结构应力较大的焊缝有三条, 即第23号、25号及30号焊缝, 其中第23号与25号为枕梁腹板与地板之间的焊缝, 第30号为枕梁腹板与上盖板之间的焊缝, 如图4所示.其垂向与纵向应力沿着焊缝长度方向的分布见图5至图7.

图4 第23号、25号和30号焊缝位置示意图Fig.4 Position of the 23rd, 25th and 30th welds

图5 23号焊缝垂向及纵向应力分布Fig.5 Vertical and longitudinal stress distribution of the 23rd weld

图6 25号焊缝垂向及纵向应力分布Fig.6 Vertical and longitudinal stress distribution of the 25th weld

图7 30号焊缝垂向及纵向应力分布Fig.7 Vertical and longitudinal stress distribution of the 30th weld

图5~图7表明, 沿焊缝方向的应力分布随着正弦信号载荷的变化而变化.应力最大的部位, 等效结构应力相应增加, 说明这有可能是危险位置.

2.5 疲劳寿命预测量

依据不同载荷工况下各焊缝的等效结构应力, 选用98%可靠度(-2σ )的S-N曲线参数[12], 即Cd=2 316.48, m=3.6, 计算出各工况下焊缝疲劳破坏时的应力循环次数, 然后计算各工况焊缝的损伤值.最后根据Miner线性累积损伤理论, 求出上述3个大应力焊缝的总损伤值, 如表2所示.

表2 枕梁焊缝疲劳寿命预测结果 Tab.2 Fatigue life prediction of bolster welds

由表可见, 第23号、25号和30号焊缝的疲劳累积损伤均大于1, 对应的疲劳寿命也小于一般焊接结构设计寿命2.0× 106的要求.

3 铝合金焊接枕梁疲劳试验
3.1 疲劳试验方案

为了对设计的枕梁疲劳寿命进行考核, 需要根据线路实测进行疲劳试验得到枕梁的载荷值.列车一年内的牵引制动次数为10万次, 按照地铁寿命30年计算, 得出疲劳试验循环载荷次数为300万次.

疲劳试验中, 预加载过程施加最大载荷值的一半.全加载过程中按牵引和制动工况施加周期性正弦载荷, 并记录结构上各个焊缝区域的应变值, 疲劳试验加载频率为5Hz.疲劳试验加载示意图如图8所示.

图8 疲劳试验加载示意图Fig.8 Fatigue test load diagram

3.2 应力测量

在疲劳试验过程中, 根据工程经验对枕梁的15个焊缝应力进行了监测, 其中第23号、25号及30号焊缝在疲劳载荷峰值下的应力测试数据如表3所示, 应力范围是最大应力与最小应力差值的绝对值.

表3 疲劳试验过程中枕梁焊缝的应力 Tab.3 Stress of bolster welds during fatigue tests

表3可见, 随着加载次数的增加, 枕梁产生裂纹部位各个测点的应力范围都显著提高, 说明随着裂纹的出现, 结构承载能力显著下降.预估寿命最低的第23号焊缝, 在加载76.9万次时其应力范围由16.3 MPa提高到37.7 MPa, 在加载252.9万次时则提高到57.2 MPa.

在疲劳试验中, 每天对枕梁裂纹进行观测, 该枕梁在疲劳试验达到261.3万次时, 所有焊缝均完全开裂, 不能继续承受疲劳试验载荷.静强度分析结果中枕梁疲劳寿命较低的焊缝与疲劳试验后观测到的裂纹部位基本吻合.初步判断, 这3处焊缝疲劳寿命低的主要原因是枕梁筋板处有多个焊缝相交, 导致该处的刚度不能很好的协调, 从而引起结构应力集中.

4 铝合金焊接枕梁结构改进
4.1 焊接枕梁结构改进

由枕梁疲劳试验和疲劳寿命预测结果得出, 疲劳裂纹主要集中在枕梁中间两条长立板和盖板的焊缝连接处及小筋板和盖板的焊缝连接处.因此对该部分进行改进, 将枕梁正中间两条长立板和小筋板的厚度由8 mm增加到9 mm, 并对焊缝进行打磨处理.其结构如图9所示.

图9 改进后枕梁的有限元模型Fig.9 FEM model of the improved bolster

其它的改进措施如下:对枕梁上盖板形状进行优化, 增加其宽度并圆滑圆角, 以减小应力集中; 由于底架下存在支撑筋板, 支撑筋板对焊缝的结构应力存在影响, 因此在该部位设计时也将筋板的板厚从8 mm增加到9 mm.

4.2 疲劳寿命预测与疲劳试验考核

结构改进后, 分别计算了枕梁第23号、25号和30号焊缝疲劳累积损伤值和寿命, 结果如表4所示.改进结构后, 三个焊缝的疲劳损伤值均小于1, 对应的疲劳寿命都大于2.0× 106.其中, 第23号焊缝寿命是改进前的3.23倍, 第25号焊缝寿命是改进前的2.44倍, 第30号焊缝寿命是改进前的2.88倍.

表4 改进后焊缝的疲劳寿命预测结果 Tab.4 Fatigue life prediction of welds after improvement

通过对新结构进行疲劳试验发现, 改进后的新枕梁在相同载荷作用下, 能够完成全寿命疲劳试验.因此, 通过理论分析及疲劳试验证实, 上述改进措施能显著提高枕梁抗疲劳能力.

5 结论

1)本文对城轨列车转向架铝合金枕梁焊缝进行了疲劳寿命预测, 基于Miner线性累积损伤理论和NASA小载荷S-N曲线延伸法, 对枕梁68条待评估焊缝进行了疲劳寿命评估, 发现位于枕梁腹板与地板之间的第23号和25号焊缝及位于枕梁腹板与上盖板之间的第30号焊缝的疲劳累计损伤较大, 寿命较短.

2)对原设计铝合金枕梁施加了与实际运用相当的疲劳载荷, 疲劳试验过程中, 枕梁出现裂纹的位置与疲劳分析的结果基本吻合.裂纹出现的原因为枕梁筋板与盖板结合处有多个焊缝相交, 导致该处刚度协调不好, 产生应力集中.

3)对不满足疲劳强度设计的枕梁中部结构, 实施了优化上盖板形状、增加连接筋板厚度和减小应力集中等结构改进措施.理论分析及疲劳试验结果表明, 新枕梁在相同载荷条件下, 能够完成全寿命疲劳试验, 抗疲劳性能明显提高.

The authors have declared that no competing interests exist.

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