转向架构架疲劳计算方法的分析

1 转向架构架疲劳计算方法分析 1112A.Cera,G.Mancini,V.Leonardi,L.Bertini

Trenitalia S.p.A, Florence,1Italy; Pisa University - Mech. Engng. Dept., Pisa,2Italy

摘要 本文主要进行了转向架构架强度评定的关键分析，尤其着重于焊接节点。特别分析了针对不同焊接节点的疲劳分析技术。疲劳分析技术中包含的两种方法（疲劳极限和Goodman曲线）是由欧洲标准EN 13749提出的。通过分析，我们可以知晓方法的准确性和可行性，从而选择最合适的转向架构架分析方法。通过成熟的商业有限元软件（ANSYS）,我们可以对挑选的标准的可靠性和安全性进行严格地比较。本文研究调查了疲劳分析方法，关注了其中有限元方法的使用。

一、引言 欧洲标准EN 13749，作为欧洲标准化进程的产物，于2005年4月由欧洲标准委员会CEN提出。规范制定的目的在于定义完整的转向架设计过程。其中包括设计步骤、评定方法、验证以及加工质量要求。 EN 13749编撰了静态和疲劳下载荷的假设和计算。同时标准也定义了转向架构架静态和疲劳阻抗的测试方法。在转向架的章节中，标准针对疲劳预测特别定义了一系列的载荷工况和作用在构架上的不同类型的力。 随着新的数值计算方法的发展（有限元方法），疲劳完整性评估已经发展到较高的水平，尤其是在精确度和细节仿真方面。 即使在近期有了更新，标准仍未解决和定义某些重要部分。仍需要研究的问题主要有两点。首先缺少用于焊接节点的有限元仿真和疲劳评定方法。其次尚未定义多轴应力状态下（特别在铁路应用）疲劳强度评估的标准计算方法。 由于上述未解决的问题，同样的转向架设计用不同的疲劳分析方法可能得到不一样的结果。 从2006年起，意大利铁路（意大利国有铁路运营商）的工程部门和比萨大学机械工程部展开了关于转向架疲劳行为的公共研究项目。项目旨在通过使用有限元仿真建立经证实的、适用于疲劳完整性评估的方法。 在疲劳强度分析技术中，主要采用如下的选择和核对方法： 2

•名义应力法 •热点应力法 •有效缺口应力法 为了使构架组成的疲劳计算最大程度上与铁路应用中一致，项目组对上述的每种方法都进行了有限元方法模型建立的研究。研究尤其关注了焊接节点的系统化以及于采用的网格划分和单元类型（壳或实体单元）相关的形状细节。在这种情况下，研究的目的指向定义有限元方法系统化和所用分析方法间更多的适用关系。 就适用于疲劳完整性的方法的重要特征而言，研究涉及了使用ERRI B12 RP60报告中提出的关于疲劳计算的两种方法（Goodman曲线和累计损伤）的优缺点。 为了达到研究目的，不少的与有限元软件ANSYS兼容的后处理程序被研发出来。意大利铁路工程部将这些后处理程序应用在疲劳计算中。后处理程序的应用分三种情况：第一种根据ERRI B12 RP60，后两种应用在项目分析的第一部分。 在2007年5月前，作为项目的最终步骤，计算模型的最终验证会在模拟平台上进行。一些结构部件和特殊样品将在合适的实验装置（能够满足通常的多轴应用状态）上检测。通过测试就可以得知关键区域（如焊接节点）的疲劳极限和主要部位的应力大小。 通过比较实验和仿真的结果来验证计算模型的正确性。

二、根据EN 13749对转向架进行疲劳计算 2.1大体的方法 从计算过程上看，结构分析分成两个步骤： ——通过有限元计算对转向架构架进行结构分析； ——通过有限元计算对转向架构架上的连接件进行结构分析。 为了使计算过程得到认可，方法中还应包含下列部分： ——测定作用在结构接口的力； ——求将这些力在代表运行条件的载荷工况下的合力； ——分析在每个载荷工况下力的大小； ——鉴定计算的应力值是否超出了能承受的应力极限。

2.2转向架构架的计算 在转向架使用期内，构架在正常的载荷条件下会受到多种外在力。这些力有 3

些来自于轮轨接触点和与车体的接合面，有些是由如下原因产生： ——两倍的簧载质量，包括额定载荷； ——轨道不平顺； ——由于通过曲线造成的横向加速度； ——由牵引和制动造成的纵向加速度。 考虑到上述列出的力的来源，标准制定了公式和系数来评估计算中的力的值。这些力在载荷工况下的联合作用就可以仿真出车辆运行时构架大部分的疲劳应力状态。 疲劳计算施加的力有： ¨源于簧载质量的垂向力 根据标准所述，力是由三部分组成： ——来自于簧载的静态力（正常状况下的额定载荷）； ——考虑车体在曲线通过时侧滚的准静态力；其大小按照惯例记为静态力的a 倍（a为侧滚系数）；

——由于车体在曲线通过时的垂向加速度造成的动态力；其大小按照惯例记为静态力的b 倍（b为弹性系数）。 ¨源于每根车轴的横向力

对转向架而言，横向力是由曲线通过或者轨道缺陷造成的惯性力。根据标准，横向力包含下面两种： ——由于未平衡加速度引起的值为0.063g的准静态力； ——由于轨道不平顺引起的值为0.063g的动态力。 ¨纵向力

纵向力是源于轮轨间的滑动。滑动来自于直轨上的蛇形运动和曲线上不同大小的滚动圆半径。 ¨轨道扭曲

因为转向架在过曲线时受扭转的影响，故在计算时按照惯例记轨道扭曲为0.5%。 图1为应用在客运和机车中载荷组合的案例。在这个案例中，工况9是垂向力、横向力和轨道扭曲的组合。更进一步来说，标准定义了其它两力受载情况，将纵向力与垂向力相加。根据标准，这些工况考虑了正常运行中所有可能的载荷分布情况。 4

图1 客运和机车转向架构架疲劳计算的载荷工况 疲劳计算需要每一个工况下的应力值。为了检查抗疲劳性，计算还需要知道构架的疲劳循环特性。标准提出的两种方法及它们的优缺点如下： ——疲劳极限 这种方法在UIC提出后被广泛使用。它也被使用在疲劳静态测试的分析中（之后会提到）。在该方法中，确定构架上每一点的最大应力值maxs和最小应力值mins。maxs和mins是由所有载荷工况单独作用得来的。由maxs和mins就可以得到平均应力ms。将疲劳循环的应力辐与材料的疲劳极限比较（比如用Goodman曲线）。 这种方法总体上是偏保守的，不需要知道构架使用过程中的载荷谱。这个方法的主要优点是转向架使用的典型钢材非常普通，其疲劳极限已知。处理转向架 5

的多数焊接节点、未经过热处理的转向架也因此变得方便（ERRI B12 RP60的报告中给出了所有的疲劳数据和Goodman曲线）。当转向架受到真实的载荷谱时，用该方法的简化处理显得十分粗糙。 ——累计损伤 这种方法考虑了所有工况组合的影响。必须知道每个工况作用在转向架上的循环次数。通过材料的Wohler图（S-N）就可从循环次数确定抗疲劳性能。接着通过累计损伤假设（如Palmgren-Miner法则）确定总的损伤。 这种方法的优点在于使用应力谱而趋近于实际情况，从而完成对结构强度和构架质量的优化。与此同时，在考虑所有运行工况下定义载荷谱是十分复杂的过程。

2.3构架连接件计算 在转向架使用期内，正常载荷和惯性载荷都会通过连接件作用到构架上。在正常运行载荷的疲劳计算中，受力要考虑由构架连接件造成的因素的影响、 ——由构架上附着质量造成的惯性力； ——由轴箱上附着质量造成的惯性力（簧下质量）； ——源于阻尼器的负载； ——源于制动的负载； ——源于牵引电机的负载； ——作用在抗侧滚装置的负载。 必须分别对每个承载结构进行疲劳计算。每次计算都要有两种载荷工况： ——垂向载荷（源于簧载质量）和作用在连接件上的惯性加速度最大¤最小值。 ——垂向载荷（源于簧载质量）和运行状态下作用在连接件上力（源于阻尼器和制动等）的最大¤最小值。 验证方法与转向架构架疲劳计算所述的相同。

三、疲劳强度分析的相关因素 图2所述的因素很大程度上影响了焊接结构的疲劳失效。相对于其他一般的疲劳承载结构，这些因素特定于焊接结构或与焊接结构有相当高的相关性。 这些因素中最重要的[3-5,9,10]有： •应力集中； •不同的焊接节点区之间材料的力学性能变化； •残余应力； 6

•疲劳循环的平均应力； •有无缺陷（裂纹）。 另外还需考虑其他一些因素，如： •多轴应力状态； •载荷的幅值变化。 假定这些因素与车辆结构有特定的关系。 用于铁路转向架疲劳强度评估的分析工具必须充分考虑到所有的影响因素。

图2 影响焊接结构疲劳强度的因素 接下来对部分因素进行简单的分析。 焊接结构的应力集中主要来自于下列两种途径： •焊接节点的形状； •节点内材料性能的变化。 其中焊接节点的形状是最重要的。焊接节点交接处常有大的外形的改变，焊接节点根部有小半径的圆弧。通常与焊接节点形状相关的应力集中系数（maxmintK）的值在1.5至5的范围内变化[6-7]。相反，由材料的弹性性能（特别是泊松比）造成的应力集中系数在不同焊接节点区域（即母材区BM、热影响区HAZ、熔合区FZ等）的变化非常小，通常不超过1.1-1.2。 焊缝具体问题在于缺口根部的半径一般非常小（小于1微米）。因此不能用