第期廖爱华等基于刚柔耦合的轨道车辆转向架构架疲劳分析其中和分别为单位矩阵和零矩阵为位移矩阵通过转换得到柔性体的运动方程其中分别为转换后的质量矩阵和刚度矩阵包含柔性体约束模态力和固有模态力为多体系统状态变量为时间变量由于模态矩阵中存在惯性耦合需对其进行正则化转换消

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竿林
5 years ago
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1 第卷第期年月振动测试与诊断!"#"$" % &'## ()*##+, 基于刚柔耦合的轨道车辆转向架构架疲劳分析廖爱华黄旭方宇上海工程技术大学城市轨道交通学院上海摘要对某型地铁车辆转向架构架在运行使用过程中局部区域出现裂纹的问题首先基于固定界面模态综合法通过构架主自由度缩减得到了该型构架柔性体模型从而建立该型地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型然后结合一种基于柔性体计算结构动应力的方法探讨该型构架的动应力响应得到该型构架的振动特性最后采用准静态应力叠加法对构架电机吊座结构进行了疲劳寿命预测仿真结果与该型构架实际出现疲劳破坏的位置吻合从而验证了基于刚柔耦合模型对构架进行疲劳分析方法的正确性结果表明利用这种方法可以在构架前期开发阶段为其疲劳寿命预测提供理论依据关键词转向架构架多体动力学刚柔耦合疲劳寿命中图分类号 -. 引言转向架构架作为地铁车辆的主要承载部件其承受着频繁的随机载荷所受工况比较恶劣以某型地铁车辆转向架构架为例该型车辆转向架构架在运行使用过程中构架多次出现裂纹现象构架的使用寿命远远小于设计寿命该现象严重影响了地铁车辆的运行安全性因此对影响地铁车辆运行安全的关键部件转向架构架进行疲劳分析以及疲劳寿命预测显得尤为重要国内外学者在结构的疲劳分析这个领域做了大量的研究这些方法同样可以应用于转向架构架的分析和研究中目前国内外对于结构的疲劳分析主 + 要从实验和仿真两个角度作为切入点线路实测动应力实验及疲劳实验比较昂贵且线路实测动应力实验受线路气候条件的影响较大而仿真主要依靠多体动力学仿真联合有限元分析的准静态叠加法来实现结构动应力的计算该方法适用于结构固有频率运离外部载荷频率的情况由于地铁车辆转向架构架所承受的是复杂的耦合动载荷场结构架局部动刚度较小很可能会出现局部共振现象此时除了外部载荷激励还需考虑局部共振造成的自振激励因此本研究以构架结构自身振动特性作为出发点建立构架柔性体模型并结合地铁车辆刚柔耦合多体动力学仿真得到构架结构的动应力响应从而得到构架的振动特性并依据此对该型构架进行疲劳分析进而得到其疲劳破坏机理最后基于准静态应力叠加法预测构架电机吊座的疲劳寿命柔性构架的建立柔体动力学理论柔性体理论主要基于固定界面模态综合法其基本思想是赋予柔性体一个模态集采用模态法展开用模态向量和模态坐标的线性组合表示物体的弹性位移通过计算每一时刻物体的弹性位移来表示其变形令柔性部件的界面固定并建立模态矩阵其中模态矩阵可表示为 / /0 其中 / 为主模态矩阵 /0 为约束模态矩阵主模态是界面自由度固定时所对应的固有模态其与内部自由度一一对应而约束模态是指依次释放每一边界自由度使其产生单位位移而形成的静位移分布所构成的静态模态则可得 / /0 上海市研究生教育创新计划学位点引导布局与建设培育资助项目 10 上海市自然科学基金资助项目收稿日期 ++ 修回日期 ++

2 第期廖爱华等基于刚柔耦合的轨道车辆转向架构架疲劳分析其中和分别为单位矩阵和零矩阵为位移矩阵通过转换得到柔性体的运动方程其中分别为转换后的质量矩阵和刚度矩阵包含柔性体约束模态力和固有模态力为多体系统状态变量为时间变量由于模态矩阵中存在惯性耦合需对其进行正则化转换消除刚体模态重新代入柔性多体系统中采用拉格朗日建立整个系统的方程从而得到系统的解建立柔性构架该型转向架构架主体采用牌号为 &/+1- 结构钢材料的弹性模量为! 泊松比为密度为, *'$ 极限强度标准值为! 屈服强度标准值为! 选取 /& 以及!11 三类单元来建立构架的有限元模型依据模态综合法选取若干固定交互点进行主自由度缩减最终得到柔性构架柔性体结构应力计算方法传统的刚体动力学模型忽略了结构内部的相对位移若结构在运动过程中发生了共振此时如若按照传统结构静强度计算方法计算得到的应力会小于实际结构应力所以从结构动力学的角度出发以结构模态位移为基础通过模态应力恢复计算结构应力柔性体中的某一节点的模态位移可以由若干阶模态振型相互叠加得到其中为第阶模态频率为第阶频率对应的模态位移根据模态综合法模态矩阵是由静模态与特征模态组合而成静模态的数量等于约束特征点的自由度的总和特征模态是通过求解式得到其中为质量矩阵为刚度矩阵为特征值为特征模态通过求解式得到广义质量矩阵刚度矩阵 - - 通过求解式, 进行模态矩阵的正则化得到柔性体的模态信息其中为特征模态集为正则化模态矩阵依据有限元离散理论可得! "! "! "#! "! "! "! "! "! "#! ", 其中 "! 为节点 " 的应变场矩阵! " 为节点 " 的弹性矩阵 #! "! " "! 分别为节点 " 对应的节点位移应变和应力通过代入柔性体某一节点 " 的模态位移可推出柔性体中某节点 " 的应力与应变将式分别带入式则可推出式! "! "! "! "! " "!! "! "! "! "! "! "! " "!! "! " "!! "! "! " 其中 "! 为节点 " 对应产生的模态位移! " 为节点 " 对应的第阶模态! " 为节点 " 对应的第阶模态产生的应变场! " 为节点 " 对应的第阶模态产生的应力场由此可知只要获取柔性体中每个节点的模态位移则可以得到柔性体中每一个节点的动应力响应地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型的建立与仿真利用 $ 节得到的柔性构架根据该型地铁车辆真实动力学参数以及结构参数最终建立该型地铁车辆的刚柔耦合多体动力学模型如图在建模过程中对柔性构架所受初始载荷进行预平衡则在动力学仿真过程中柔性构架所承受的随机载荷也就模拟了车辆运行过程中构架的实际受力状态以该型地铁车辆在满载 4 下时速 *$5 作为仿真的边界条件并以美国五级谱作为轨道激励进行仿真仿真时间设为,# 构架整体结构动应力响应分析构架属于准对称结构形式在不影响仿真计算

振动测试与诊断第卷图地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型 6'-5"'7+"8")' $7979$)#

由于安装座结构均为整体铸件结构运营过程无任何裂纹情况发生未出现疲劳破坏现象所以计算结构动应力响图

构架最大应力节点号为输出该节点的动应力历程如图图构架裂纹位置 6'-5"))*"$" 图构架结构应力分布云图

加强板底部焊缝区域经常出现裂纹针对此处焊缝区域取其中应力幅值最大的一个节点, 进行分析该节点的动应力如图图

符合构架的强度要求由于结构的破坏主要是由结构动应力的幅值引起的应力幅值扰动是引起结构破坏的主要原因

该型构架电机吊座区域的应力幅值分布云图如图仿真结果与构架实际出现疲劳破坏的位置图大图焊缝节点动应力

3 振动测试与诊断第卷图地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型 6'-5"'7+"8")' $7979$)# $7"$":"5)" 的精度并能缩短计算时间的情况下选取构架的一半区域作为分析对象结合实际情况由于安装座结构均为整体铸件结构运营过程无任何裂纹情况发生未出现疲劳破坏现象所以计算结构动应力响图构架应力幅值分布云图 6'-5"#"##$7"7#$" 应时没有考虑在内构架结构应力分布云图如图构架最大应力节点号为输出该节点的动应力历程如图图构架裂纹位置 6'-5"))*"$" 图构架结构应力分布云图 6'-5"#)"#"##7#$" 体一致由于电机吊座工字型加强板图整体所受应力幅值较大从而导致该处图加强板底部焊缝区域经常出现裂纹针对此处焊缝区域取其中应力幅值最大的一个节点, 进行分析该节点的动应力如图图节点动应力 6'-5"79$)#"##7" 节点处的应力最大值为! 小于该型构架母材的许用应力,! 符合构架的强度要求由于结构的破坏主要是由结构动应力的幅值引起的应力幅值扰动是引起结构破坏的主要原因应力幅值过大的区域主要集中在电机吊座区域齿轮箱吊座区域横梁和侧梁连接区域该型构架电机吊座区域的应力幅值分布云图如图仿真结果与构架实际出现疲劳破坏的位置图大图焊缝节点动应力 6'-5"79$)#"##7";"7"7 由图得知焊缝处节点最大应力值为! 电机吊座加强板采用的是对接焊缝且焊缝焊接材料为脆性材料依据 1, 焊接疲劳标准该处的焊缝区域的疲劳强度极限值要远远小于母材这也是该处经常出现裂纹的主要原因

工况下节点动应力 6'-5"79$)#"##7"7" 5";*' )7,*$5 横梁 +

"# 图横梁 + 侧梁连接区域应力幅值分布云图 6'-5"#"##$7"7# 5")")+

;*' )7,*$5 齿轮箱吊座区域疲劳分析结果见图图,*$5 工况下节点动应力

4 第期廖爱华等基于刚柔耦合的轨道车辆转向架构架疲劳分析构架各局部区域疲劳分析以该型地铁车辆在满载 4 下时速,*$5 作为仿真的边界条件并以美国五级谱作为轨道激励进行仿真仿真时间设为,# 分别对上述易疲劳区域进行疲劳分析得到各区域的应力幅值分布云图并输出各个区域的应力幅值最大节点的动应力图电机吊座区域疲劳分析结果如图, 图,*$5 工况下节点动应力 6'-5"79$)#"##7"7" 5";*' )7,*$5 横梁 + 侧梁连接区域疲劳分析结果如图图电机吊座区域应力幅值分布云图 6'-5"#"##$7"7#$##+ "# 图横梁 + 侧梁连接区域应力幅值分布云图 6'-5"#"##$7"7# 5")")+ "";"""$7#7""$ 图,,*$5 工况下节点动应力 6',-5"79$)#"##7"7" 5" ;*' )7,*$5 齿轮箱吊座区域疲劳分析结果见图图,*$5 工况下节点动应力 6'-5"79$)#"##7"7" 5";*' )7,*$5 由图图图得知电机吊座区域的最大应力幅值为! 相对于齿轮箱吊座区域和横梁 + 侧梁连接区域的最大应力幅值较大由图, 图图齿轮箱吊座应力幅值分布云图 6'-5"#"##$7"7#'"##"+ # 图可看出电机吊座区域的结构动应力比齿轮箱吊座区域以及横梁 + 侧梁连接区域整体要大这也解释了该型构架在运行过程中电机吊座出现裂纹频率较高的原因

振动测试与诊断第卷基于准静态应力叠架法的电机吊座结构疲劳寿命预测准静态应力叠加法的主要思想是计算任一时刻相同结构位置和相同作用方向的单位静态载荷所引起的弹性应力应变状态然后将其与之对应的载荷谱叠加得到结构的动应力结合材料 1+ 曲线并修正平均应力最后依据线性损伤累计原则对结构开展疲劳寿命预测

应力较大的部位主要集中在电机吊座四块工字型加强板区域工字型加强版区域整体应力较大图电机吊座垂向力 ' 6'-5":"))"' $##"# 真得到电机吊座结构疲劳寿命分布云图如图图电机吊座结构疲劳寿命分布云图 6'-5"'""7#$##"# 由图得知电机吊座安装座整体铸件结构为无限寿命

根据该型车辆实际运行线路参数选取一段长为 *$ 的线路以该型地铁车辆在满载 4 工况下时速 *$5 速度运行采用美国五级谱作为激励谱获取电机吊座的边界载荷 ' % ' ' & % & 其中电机吊座垂向力如图电机吊座疲劳寿命预测结果依据上述得到电机吊座有限元分析结果以及动力学仿真获得的电机吊座边界载荷利用 07" 仿

5 振动测试与诊断第卷基于准静态应力叠架法的电机吊座结构疲劳寿命预测准静态应力叠加法的主要思想是计算任一时刻相同结构位置和相同作用方向的单位静态载荷所引起的弹性应力应变状态然后将其与之对应的载荷谱叠加得到结构的动应力结合材料 1+ 曲线并修正平均应力最后依据线性损伤累计原则对结构开展疲劳寿命预测单位载荷作用下的电机吊座结构惯性释放有限元分析, 惯性释放的原理是通过构造一个自平衡力系来模拟约束不足时的结构静态响应在电机吊座质心处施加沿 %& 正方向单位力以及绕 %& 个坐标轴顺时针的单位转矩限于篇幅以单位垂向载荷作用下为例电机吊座应力应变分布云图如图从图可以看出应力较大的部位主要集中在电机吊座四块工字型加强板区域工字型加强版区域整体应力较大图电机吊座垂向力 ' 6'-5":"))"' $##"# 真得到电机吊座结构疲劳寿命分布云图如图图电机吊座结构疲劳寿命分布云图 6'-5"'""7#$##"# 由图得知电机吊座安装座整体铸件结构为无限寿命疲劳寿命最短的位置出现在电机吊座工字型加强板与电机安装座的焊缝连接处仿真获得的电机吊座疲劳寿命较短位置与实际电机吊座发生疲劳破坏的位置吻合的很好仿真计算得到的电机图 & 方向单位载荷作用下的应力分布云图 6'-5"#"##7#7" 7'& 7") 电机吊座边界载荷的计算依据建立的地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型根据该型车辆实际运行线路参数选取一段长为 *$ 的线路以该型地铁车辆在满载 4 工况下时速 *$5 速度运行采用美国五级谱作为激励谱获取电机吊座的边界载荷 ' % ' ' & % & 其中电机吊座垂向力如图电机吊座疲劳寿命预测结果依据上述得到电机吊座有限元分析结果以及动力学仿真获得的电机吊座边界载荷利用 07" 仿吊座结构疲劳寿命为次循环每次循环 *$ 则可计算得到电机吊座节点最短寿命为万 *$ 根据地铁检修部门提供的数据电机吊座处出现裂纹平均里程为万 *$ 两者误差为结论该型构架结构应力最大值为! 小于该型构架母材的许用应力,! 符合构架的强度要求应力幅值扰动是引起结构破坏的主要原因该型构架应力幅值过大的区域主要集中在电机吊座区域齿轮箱吊座区域横梁 + 侧梁连接区域仿真结果与该型构架实际出现疲劳破坏的位置吻合从而验证了基于刚柔耦合模型对结构进行疲劳

第期廖爱华等基于刚柔耦合的轨道车辆转向架构架疲劳分析分析方法的正确性采用准静态应力叠加法对构架易疲劳区域 + 电机吊座结构进行疲劳寿命预测仿真得到电机吊座节点最短寿命为万 *$ 计算结果符合地铁检修部门提供的数据电机吊座该处出现裂纹平均里程为万 *$ 仿真结果与实际数据误差为可知仿真可信性及正确度较高参考文献金国龙谢雄耀王如路上海地铁

6 第期廖爱华等基于刚柔耦合的轨道车辆转向架构架疲劳分析分析方法的正确性采用准静态应力叠加法对构架易疲劳区域 + 电机吊座结构进行疲劳寿命预测仿真得到电机吊座节点最短寿命为万 *$ 计算结果符合地铁检修部门提供的数据电机吊座该处出现裂纹平均里程为万 *$ 仿真结果与实际数据误差为可知仿真可信性及正确度较高参考文献金国龙谢雄耀王如路上海地铁号线车辆转向架寿命预测数值分析地下空间与工程学报,+, '"'94'2"$""+ 7) 5"'"$"#5'5$""9 &6! 05"#"7"'71)" 7'""',+,05"#".1.&;*1" '" 9## $+ #+;"7"7(# #"7 "<")9"##")5'"#7" '"7$'")+ )$ /" 6'", + 4"'."9#15 &) '""<:" #)7$"57'9 5"+ $")79##"##$" 5":9:"5)"#)+ "#/"6'" + ')67)"7'"##"##$" :"+ 5)"7":"$" )"##47)7"$91)+ ")"'""'7-")5'9,,+ 张磊安黄雪梅王娜等风电叶片单点疲劳加载过程数值仿真与试验振动测试与诊断 + 5'2".' "$"4' " + $")#$7 "#!4 ;7 "7" #'"'"7')"##+!"#"$" % &'##+ 05"#" 兆文忠魏鸿亮方吉等基于主 1+ 曲线法的焊接结构虚拟疲劳试验理论与应用焊接学报 + 5 4"=5'4".''6'" -5" 5"97) 5":'" "# ;"+ 7"7#)"##"7 5"$#"1+):"$"57 -#)# 5" 05 4"7'/# +05"#" 李兴泉邓兆祥李传兵等模态综合的子结构主模态截断方法西南交通大学学报 +, 2'<&"'58'205'" 1#)" $!7"# 1"")!"57 0$"!7"195"##15;"# ':"#9+,05+ "#", 扶原放金达锋乔蔚炜惯性释放原理在车架结构优化设计中的应用机械设计与研究 + 6>''&"'? 4";") """:"5)"$"#)"$=!)5"&"#'7"#")5+ 05"#" 第一作者简介廖爱华女, 年月生博士副教授主要研究方向为车辆结构动力学有限元分析及车辆故障诊断等曾发表 $")#$ "##))) 9##)$+ "##9:"#""7'7:)"#!")5)'""' 等论文 +$;,)$

7 , 振动测试与诊断第卷

中国公路学报年

中国公路学报年第卷第期年月中国公路学报孟瑾朱平胡志刚根据耐久性试验中常用的整车台架试验方法通过多体动力学模型仿真模拟整车在四轮路面激励下的运动状态提取车身与底盘连接位置的载荷历程采用有限元法分析动载荷作用下的车身结构响应基于传统的应力寿命方法方法寻找车身薄弱环节辨识危险零件应力双轴性并选择多轴疲劳损伤参量预测车身疲劳寿命分析结果表明结合多体动力学与多轴疲劳的寿命