货车车体疲劳载荷谱的编制及验证

通过 5 000t 重载列车的动应力测试 , 参照 AAR 机务标准 , 编制了车体测点应力谱、心盘载荷谱、纵向
载荷谱以及侧滚载荷谱。利用 ANSYS 有限元软件对 C70型通用敞车车体 进行了计 算 , 并利用编 制的载荷谱 计算 车体测点的损伤 , 然后与按照应力谱计算出的损伤结果相比较 , 验证了载荷谱 , 最后分析了利用分力谱来 计算 车体损伤的可行性。 关键词 重载列车 ; AAR; 应力谱 ; 载荷谱 文献标志码 : A 中图分类号 : U272 32
摘 要
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机械与电子控制工程学院 , 北京 100044)
利用国际上通用的流体力学计算软件 FLUENT 作为研究工具 , 对高速列车 在地面和桥 梁两种行驶 状态
下的外部流场进行了数值模拟 , 分析桥梁的存在及其特征尺寸对列车气动力的重 要影响。通过比较列车在不同 高度、不同宽度及不同横截面形状桥梁上行驶时的气动力情况 , 得出针对本文选定的桥梁设计方案 , 桥梁 的存 在增大了列车倾覆危险性的结论 ; 同时发现存在一个最 危险桥梁宽 度 , 此时列车 尾部抬升和 倾覆的危 险最大 , 而当桥梁宽度增大到一定数值后 , 桥梁的存在将不影响列车受力 ; 另外肯定了桥梁横截面 形状接近流线型对改 善列车受力有积极作用。 关键词 高速列车 , 空气动力学 , 侧风 , 桥梁 , 数值模拟 文献标 志码 : A 中图分类号 : U292 91+ 4; U260 13
第 28 卷第 3 期 2008年6月 文章编号 : 1008- 7842 ( 2008) 03- 0014- 04
铁道机车车辆 RAILWAY LOCOMOTIVE & CAR
Vol 28 No 3 Jun 2008
高速列车在桥梁上行驶时空气动力特性的数值模拟研究
董亚男, 徐宇工, 邱英政 ( 北京交通大学
第 28 卷第 3 期 2008年6月 文章编号 : 1008- 7842 ( 2008) 03- 0011- 03
铁道机车车辆 RAILWAY LOCOMOTIVE & CAR
Vol 28 No 3 Jun 2008
货车车体疲劳载荷谱的编制及验证
郑小艳, 谢基龙 ( 北京交通大学
摘 要
机械与电子控制工程学院 , 北京 100044)
表1 测点 4 8 12 13 26 车体上测点布置说明 测 试 部 位
枕梁 腹板与端梁上盖板连接处 枕梁 补强板 1 与中梁、枕梁下盖板连接区域 枕梁 补强板 1 与中梁下盖板连接处 枕梁 补强板 1 与中梁下盖板连接处 枕梁 补强板 2 与中梁下盖板连接处
郑小艳 ( 1983- ) 女 , 湖北荆门人 , 硕士生 ( 收稿日期 : 2007- 10- 18)
我国铁路货运装备正在加速实施现代化 ,
十一
他所有 C70 型敞车位置不变。此外, 对装有测力车钩 5 ( 机后第 34 位 ) 的 C70 通用敞车换装测力摇枕 , 并在其 中梁、枕梁、牵引梁等关键部位粘贴应变片 , 本文将 利用此车测试的车钩力和车体应力等数据编制载荷谱 和应力谱。
五 期间将全面开行速度 120km/ h, 5000t 编组的提速 货运列车, 23 t 轴重的提速货车将成为货车更新的主 要车型。从我国货车装备技术近十余年来的发展情况 看, 货车结构的疲劳可靠性问题是制约货车装备技术 提升的关键因素。如果货车结构显著低 于设计寿命 , 过早地发生疲劳裂损 , 将使货车的维修费用居高不下 , 并严重危及行车安全。我国货车现行结构强度设计规 范和试验标准尚不完善, 特别是缺少符合我国实际运 用条件的疲劳强度设计规范和试验标准。因此更新我 国货车结构的强度设计规范和试验标准, 已成为一项 非常紧迫的工作。 目前国际上货车车体的疲劳强度评估主要是依据 美国 AAR 机车车辆手册 : C ! 分册 M ∀ 1001 #货车设 计制造规范∃ 第 1 卷 ( 标准部分 ) % #货车的疲劳设 计∃ , 通过各分力谱计算车体的损伤 , 再根据 Miner 线 性累积损伤原理 , 最终确定车体各部位的损伤。列车 在运行中, 其受力情况比较复杂 , 各种载荷有可能发 生耦合, 用分力谱计算的累积损伤与通过合成应力计 算的损伤有可能不同 , 这就需要对载荷 谱进行验证 , 从而确定用分力谱计算来评价车体疲劳强度的可靠性。 1 5000 t 重载列车动应力试验 ( 1) 试验方案 试验列车由 53 辆 C70 型通用敞车组成 , 由两辆机 车在前部牵引 , 尾部挂 1 辆试验车。列车为 5 000 t 编 组, 全部车辆按标记载重装载。试验车辆选用 7 辆 C70 型通用敞车 , 均换装 17 号测力车钩和 MT - 2 型缓冲 器, 并采用不等间距布置。此次试验于 2006 年 9 月 25 日至 28 日在京九线 ( 北京丰台西站 ∀ 衡水区段 ) 上进 行, 单程约 273 km, 重车测试 4 个往返。去程编组方 式如图 1 所示。返程时机车与试验车调换位置 , 而其
* 图中上方阿拉伯数字 1 、 5、 &、 21 等表 示测试 的 C70 型敞 车车钩在列车中的顺序位置 , 图中的短横 表示测 力车 钩在车上的安装位置。拉丁字母 A~ G 为测量断面代号。 图 1 去程编组方式
试验过程中, 采用 IMC 数据采集处理系统及配套 设备 , 通过无线传输方式全程连续采集数据信号 , 采 样频率为 500 Hz。通过 标定试验 所得出的 标定系数 , 将各个测点的应变 ∀ 时间历程转变为载荷 ∀ 时间历程 或应力 ∀ 时间历程 , 同时测试了 7 个测量断面的车钩 力、第 5 断面的车体测点应力以及摇枕测点应力和旁 承力。 ( 2) 车体测点布置 由于车体的结构型式和受力情况比较复杂, 在确 定疲劳控制部位时综合考虑各类因素 , 在车体上共布 置 32 个应力测点 , 如图 2 所示。本文重点研究了测点 4、8、12、13、 26, 其位置说明见表 1。
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铁道机车车辆
第 28 卷
图 2 车体应力测点位置图
( 3) 摇枕测点布置 图 3 为摇枕测点位置图。在摇枕表面心盘中心线 附近应力较大、应力梯度较小的部位粘贴应变片 ; 在 经过改造的旁承座下放置 压力传感器 , 测试旁承力。 试验开始前, 已经通过施加心盘载荷和旁承载荷对应 力测点进行了标定。 2 编谱 ( 1) 数据处理 实测运用条件下机车车辆构件上的动应力 , 并编 制载荷谱和应力谱 , 是进行结构疲劳寿命及可靠性研 究的必要条件。本文对实测动应力数据 进行了处理 , 包括零漂处理、滤波处理、小波处理及各级应力幅值 的频次统计 , 采用雨流计数法 , 最终得到二维应力谱 和载荷谱, 谱的表现型式为各组均值、幅值以及它们 对应的循环次数。这些工作已经通过编制的小软件得 到实现。 ( 2) 编制载荷谱和应力谱 利用编制的软件 , 对车体应力测点数据、车钩力
图 3 摇枕测点布置图
纵向压缩工况。
第3期
货车车体疲劳载荷谱的编制及验证
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种载荷谱 , 利用有限元计算结果 , 计算测点在这些载 荷谱作用下的损伤, 进而得到累积损伤。载荷谱损伤 计算结果见表 3。
表 2 测点有限元计 算结果 测点号 4 8 12 13 图4 车体有限元模型图 26 纵向载荷工况 测试 心盘 方向 载荷工况 纵向拉伸 纵向压缩 横向 纵向 纵向 纵向 纵向 8 2 - 35 2 - 18 1 - 26 3 - 35 4 7 7 - 1 9 22 3 11 4 43 7 8 6 - 70 6 - 61 4 - 66 3 - 47 9 MPa 侧滚载荷工况 左测点 右 测点 12 6 1 5 -1 3 5 8 2 - 3 5 9 2 5 2 1 8 8
( 3) 应力谱损伤计算 根据车体应力测试结果, 选取 5 个大应力部位测 点, 其测点号为: 4、 8、12、13、26, 参见图 3。应力 谱的疲劳损伤计算方法与载荷谱的损伤计算方法类似。 车体应力谱损伤计算结果见表 3 。 ( 4) 损伤计算结果分析 测点应力谱及载荷谱的损伤计算结果见表 3。 由表 3 的损伤计算结果可以看出 , 垂向载荷谱与 侧滚载荷谱对挑选的测点不产生损伤 , 这主要是因为 这些测点的测试方向大都是纵向 , 因而只有纵向载荷 谱对这些测点有损伤。图 5~ 7 分别为列车起动时测点 12 的应力、第 5 断面的车钩力以及心盘载荷情况。波 形显示车钩力与测点 12 应力的变化规律非常相似 , 但 心盘垂向载荷变化与测点 12 的应力变化不相关, 这也 说明了车钩力对测试的测点损伤起着主要作用。 由测点位置可以看出, 这些测点受纵向载荷和心 盘载荷的影响较大 , 所以本文不考虑扭转载荷的影响。 结果显示 , 分力谱累积损伤与应力谱损伤的结果有一 定的可比性, 根据应力谱计算的损伤约是分力谱计算
纵向拉伸工况计算方法是在施加垂向心盘载荷的 情况下 , 再施加纵向 100t 拉伸载荷。根据车体受力情 况, 心盘处施加弹性约束 , 对称面上施 加对称约束 , 地板上均匀施加垂向载荷 , 前从板座处施加纵向拉伸 载荷。 纵向压缩工况计算方法是在施加垂向心盘载荷的 情况下 , 施加纵向 100 t 压缩载荷。施加载荷的方法与 拉伸工况相同。 ) 侧滚载荷工况 车体侧滚时, 车内货物偏载 , 对侧墙产生压力作 用, 使得一侧旁承增载, 另一侧旁承减载。参照 AAR 标准中 90 7t 漏斗车侧滚时旁承最大增减载为 36t , 假 设左旁承增载, 右旁承减载, 换算成力 F 施加于侧柱 连铁立板上。采用半车模型进行计算, 心盘处施加弹 性全约束, 左旁承施加垂向约束 , 对称面上施加对称 约束。 ( 2) 载荷谱损伤计算 由于测试应力的应变片方向是单向的, 所以试验 测得的应力也是对应该方向的单向应力。根据有限元 计算 , 查看这些测点在各种载荷工况下对应方向的单 向应力, 结果如表 2 所示。 为了验 证载荷谱 , 选 取一个单程完 整试验数据 , 确保运行里程、线路、司机操作等情况都相同。参照 AAR 标准的疲劳损伤计算方法以及钢制构件和零件的 疲劳特性数据, 根据车体结构及测点位置情况 , 选取 适当的疲劳特性数据, 再根据该单程试验所对应的各
数据进行处理 , 得到车体应力谱和纵向载荷谱; 对摇 枕测点数据进行处理 , 并通过标定值进行计算, 得到 心盘载荷谱和侧滚载荷谱。 对得到的谱进行处理, 把均值和幅值相加得到最 大值 , 用均值减去幅值得到最小值 , 并记录这组最大 ∀ 最小值对应的循环次数。由于我们比较关心的是循 环次数而不是统计的百分数, 因此本文采用了循环次 数, 这样就得到了类似 AAR 标准的载荷谱和应力谱。 3 载荷谱验证 ( 1) 车体有限元计算 新型 70t 级通用敞车车体为全钢焊接结构 , 主要 由底架、侧墙、端墙、中立门和下侧 门几部分组成。 车体主要由不同厚度的钢板组焊而成 , 建模时全部采 用板壳单元 Shell63 对结构进行离散。根据计算需要 , 选取半车模型, 共离散为 70 221 个单元 , 67 890 个节 点, 如图 4 所示。 ∋ 心盘载荷工况 心盘载 荷为车体自重与 载重之和 , 约为 83 84 t。 根据车体受力情况, 心盘处施加弹性约束, 对称面上 施加对称约束 , 地板上均匀施加垂向心盘载荷。 ( 纵向载荷工况 纵向载荷计算分两种工况进行 : 纵向拉伸工况与
测点号 4 8 12 13 26
表 3 测点 应力谱及载荷谱损伤计算结果
应力谱 损伤 0 6 81 ∗ 10- 6 5 05 ∗ 10- 5 5 18 ∗ 10- 5 5 71 ∗ 10- 5 心盘载荷 谱损伤 0 0 0 0 0 纵向载荷 谱损伤 0 8 99∗ 10- 7 2 748 ∗ 10- 5 2 36∗ 10- 5 3 078 ∗ 10- 5 侧滚载荷 谱损伤 0 0 0 0 0 分力谱 累积损伤 0 8 99 ∗ 10- 7 2 748 ∗ 10- 5 2 36 ∗ 10- 5 3 078 ∗ 10- 5