列車底架吊裝試驗(yàn)分析
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本文作者：程亞軍1高陽1劉洪濤1張銳2作者單位：1.長春軌道客車股份有限公司2.中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所
對底架吊裝的仿真分析分為2個(gè)階段，首先將所有吊裝件同時(shí)安裝到車體底架，施加載荷進(jìn)行仿真，確定工作條件最惡劣的吊裝連接座；然后根據(jù)試驗(yàn)室試驗(yàn)臺的布局和工裝等情況，取出包含工作條件最惡劣吊裝座的部分進(jìn)行分析，從而指導(dǎo)試驗(yàn)貼片的粘貼并作為與試驗(yàn)結(jié)果對比分析的依據(jù)。
1底架吊裝結(jié)構(gòu)
底架吊裝設(shè)備包含2個(gè)逆變器（SIV）、2個(gè)蓄電池箱、1個(gè)蓄電池充電設(shè)備，分別吊裝在底架的兩端和中部。每個(gè)逆變器的重量均為1600kg，蓄電池箱重量分別為1004kg與644kg，蓄電池充電箱重量為550kg。底架吊裝梁采用SUS301L-DLT不銹鋼焊接而成，材料的屈服強(qiáng)度為345MPa，吊裝的角型折彎件與橫梁分別采用點(diǎn)焊和弧焊相結(jié)合的方式焊接。吊裝結(jié)構(gòu)的安裝布置如圖1所示。
2底架吊裝有限元模型
底架吊裝結(jié)構(gòu)有限元模型以4節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，3節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。有限元模型中單元總數(shù)741500個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)752632個(gè)。圖2給出了底架吊裝結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型。
3底架吊裝強(qiáng)度分析
底架吊裝靜強(qiáng)度分析執(zhí)行歐洲EN12663《鐵路應(yīng)用鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求貨運(yùn)車》。疲勞分析執(zhí)行英國BS7608《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評估》，采用該標(biāo)準(zhǔn)中F2等級的S-N曲線，通過累積損傷的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞評估。靜強(qiáng)度分析工況僅列出2種最惡劣的工況，見表1。通過仿真分析，工況1、2對應(yīng)的最大應(yīng)力區(qū)域均發(fā)生在蓄電池吊裝座角型折彎件上，最大應(yīng)力為322.5MPa。通過疲勞分析計(jì)算，蓄電池箱吊裝梁焊接部位的疲勞應(yīng)力為23.5MPa，損傷為0.15。該損傷主要由縱向振動工況引起。蓄電池吊裝座在所有吊裝中比較危險(xiǎn)，因此選擇包含蓄電池箱吊裝的局部底架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，并且進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)。
4蓄電池箱吊裝強(qiáng)度分析
限于試驗(yàn)場地和工裝的原因，底架局部吊裝模型長度取3m，如圖3所示。為了與實(shí)際試驗(yàn)的安裝和定位相同，在兩側(cè)下邊梁底面進(jìn)行固定約束，兩側(cè)邊梁端部施加縱向約束。仿真分析結(jié)果表明，應(yīng)力較大位置基本都位于吊裝縱梁與底架橫梁折彎件焊接位置，分別為86.4MPa和-84.11MPa。
底架吊裝結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)方法
底架疲勞試驗(yàn)方法根據(jù)試驗(yàn)場地的布置和工裝設(shè)計(jì)可以分為2種，一種是采用與車輛安裝相同的方式布置（正向），在試件下部放置作動器加載,；另一種是將底架反方向布置（反向），在試件上部放置作動器加載。試驗(yàn)底架采用“反向”安裝方法，如圖4所示。
1工裝設(shè)計(jì)
試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)必須考慮實(shí)際蓄電池箱的連接剛度，且保證加載位置位于蓄電池箱的重心。試驗(yàn)通過橫梁和縱梁連接工裝保證連接剛度，橫梁通過螺栓、墊片連接到底架上，同時(shí)螺栓施加與實(shí)際工況相同的預(yù)緊扭矩。為了考慮側(cè)墻等的連接剛度，試驗(yàn)時(shí)將底架邊梁下表面通過工裝進(jìn)行約束，邊梁端部采用縱向止擋進(jìn)行約束，同時(shí)在橫梁中部的邊梁位置用壓板將底架固定到工裝上。
2靜強(qiáng)度試驗(yàn)
靜強(qiáng)度試驗(yàn)工況、疲勞試驗(yàn)工況與仿真分析工況相同，試驗(yàn)過程中共粘貼片47個(gè)，位于吊裝座角型折彎件處和底架橫梁與折彎件焊接部位，試驗(yàn)載荷通過作動器、工裝施加至蓄電池箱重心位置。靜強(qiáng)度試驗(yàn)通過作動器、千斤頂?shù)葘?shí)現(xiàn)加載，按照表1所列工況進(jìn)行加載，蓄電池箱端部吊裝座位置1的應(yīng)變片貼片和仿真分析計(jì)算應(yīng)力云圖如圖5所示。蓄電池箱端部吊裝座位置2的應(yīng)變片貼片和仿真分析計(jì)算應(yīng)力云圖如圖6所示。圖5所示位置的應(yīng)力計(jì)算值為86.4MPa，試驗(yàn)值為117.5MPa。圖6所示位置的應(yīng)力計(jì)算值為-84.1MPa，試驗(yàn)值為-125.6MPa。計(jì)算與試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差較大。經(jīng)對比試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c前期仿真分析模型，發(fā)現(xiàn)試件在圖5位置的吊座下部焊接漏焊，圖6位置的縱梁立面沒有按照前期優(yōu)化方案切割。經(jīng)對仿真分析模型修改重新計(jì)算，圖5所示位置的應(yīng)力計(jì)算值為122.7MPa，圖6所示位置的應(yīng)力計(jì)算值為-136.2MPa，與試驗(yàn)值比較，誤差均在10%以內(nèi)。修正后的模型仿真分析應(yīng)力云圖如圖7所示。該現(xiàn)象說明仿真分析與試驗(yàn)的結(jié)合比較好，前期產(chǎn)生偏差的原因主要是試驗(yàn)的局部吊裝結(jié)構(gòu)與前期設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在一定差別，因此控制好生產(chǎn)質(zhì)量是結(jié)果對比的關(guān)鍵因素。通過對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的可靠性，仿真分析對于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量、指導(dǎo)試驗(yàn)是十分有效的途徑。
3疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)
按照標(biāo)準(zhǔn)，疲勞試驗(yàn)一般需進(jìn)行1000萬次，試驗(yàn)周期較長。為了縮短試驗(yàn)周期，試驗(yàn)單位大都采用疲勞加速的方法進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)次數(shù)縮短至200萬次。試驗(yàn)根據(jù)BS7608標(biāo)準(zhǔn)提供的S-N曲線進(jìn)行疲勞加速試驗(yàn)，通過公式（1）的加速方法得到200萬次疲勞載荷，在表2的基礎(chǔ)上放大系數(shù)為1.71倍，試驗(yàn)采用3個(gè)方向的作動器分別加載，加載波形為正弦波形，200萬次試驗(yàn)后，探傷沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)構(gòu)滿足疲勞強(qiáng)度要求。
結(jié)論與展望
（1）通過某地鐵客車底架局部吊裝仿真分析與疲勞試驗(yàn)方法研究，論證了仿真分析2步法，即首先從整體考慮，確定吊裝局部試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，然后根?jù)試驗(yàn)條件對試驗(yàn)局部模型進(jìn)行詳細(xì)分析，確定試驗(yàn)傳感器布置方式和位置。（2）疲勞試驗(yàn)可以采用正向和反向的方法，具體根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場而定。疲勞試驗(yàn)時(shí)要盡量與車輛實(shí)際運(yùn)行相似，比如可通過靈活設(shè)計(jì)工裝，或從試驗(yàn)加載等方面進(jìn)行考慮。（3）疲勞試驗(yàn)的加速方法，根據(jù)S-N曲線可以實(shí)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)的加速。（4）為了提高仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果的對比精度，一定要從仿真分析模型簡化與試驗(yàn)構(gòu)件的模型準(zhǔn)確性一致性進(jìn)行仔細(xì)對比，進(jìn)一步考慮仿真分析與試驗(yàn)對比的具體細(xì)節(jié)。
