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某型動車組轉(zhuǎn)向架撒砂裝置模態(tài)及隨機振動疲勞分析

發(fā)布時間:2018-06-26 來源: 感悟愛情 點擊:

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  摘 要:動車組轉(zhuǎn)向架撒砂裝置在服役過程中承受來自輪軌的隨機振動激擾,為評估疲勞壽命,指導(dǎo)設(shè)計選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,結(jié)合模態(tài)計算與模態(tài)試驗對標(biāo)研究,校驗有限元模型,獲得模態(tài)參數(shù),并綜合隨機響應(yīng)分析和疲勞應(yīng)力評估的Dirlik方法,研究基于模態(tài)分析的隨機振動疲勞分析方法,最終指導(dǎo)撒砂裝置安裝座的選材,所形成的分析方法對動車組車輛安裝結(jié)構(gòu)的有限壽命設(shè)計具有指導(dǎo)意義。
  關(guān)鍵詞:撒砂裝置;模態(tài)分析;隨機響應(yīng);疲勞評估
  1 引言
  為增大雨、雪天氣輪軌之間的粘著系數(shù),動車組轉(zhuǎn)向架安裝有撒砂裝置。撒砂裝置作為懸臂結(jié)構(gòu),在服役階段承受來自輪軌的載荷作用,其動力學(xué)性能及疲勞強度直接影響結(jié)構(gòu)的安全。傳統(tǒng)的疲勞設(shè)計方法通過對典型工況進行靜力學(xué)分析,提取其主應(yīng)力,計算應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值,并利用Goodman疲勞極限圖評估結(jié)構(gòu)的疲勞強度,找出薄弱區(qū)域。撒砂裝置在列車運行過程中承受寬頻帶隨機振動載荷,在疲勞分析時應(yīng)考慮其動力學(xué)響應(yīng)。因此,對撒砂裝置的隨機振動疲勞分析應(yīng)分為隨機響應(yīng)分析和疲勞強度評估兩個階段。隨機響應(yīng)分析通常包括時域和頻域兩種方法,時域方法即在時域內(nèi)輸入隨機載荷數(shù)據(jù)(通常為加速度),輸出的應(yīng)力響應(yīng)以時間歷程的形式表現(xiàn);頻域方法通常以加速度功率譜密度的形式輸入激勵載荷,輸出的應(yīng)力功率譜密度采用統(tǒng)計學(xué)的方法進行疲勞強度的評估。
  2 模態(tài)分析
  轉(zhuǎn)向架撒砂裝置通過4個螺栓安裝在軸箱體上,末端裝有加熱裝置及管線等部件,如圖1所示,為驗證仿真模型參數(shù),并獲取結(jié)構(gòu)的阻尼參數(shù),首先分別開展模態(tài)計算和模態(tài)試驗。
  模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有屬性,通過計算或試驗分析的方法可以獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)。在忽略阻尼的情況下,結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)可以通過下式求解:
  K-ω2Mφ=0(1)
  式中,K為剛度矩陣,M為質(zhì)量矩陣,ω為固有頻率,φ為模態(tài)矩陣。
  模態(tài)計算采用ABAQUS軟件進行,主體結(jié)構(gòu)為S4單元和C3D8R單元;以B31單元模擬安裝臂與托架之間的螺栓;軸箱體與車軸之間為軸箱軸承,采用Hinge連接模擬兩者之間的轉(zhuǎn)動關(guān)系;采用Busing連接模擬轉(zhuǎn)臂節(jié)點,并設(shè)置其剛度。模態(tài)試驗在現(xiàn)車安裝狀態(tài)的撒砂裝置上采用小錘錘擊激勵的方法開展,加速度傳感器根據(jù)模態(tài)計算的振型結(jié)果進行布置。
  圖2為前兩階模態(tài)的計算結(jié)果,頻率分別為156.72Hz和341.37Hz,振型分別為撒砂裝置頭部垂向擺動和繞橫向扭轉(zhuǎn);圖3為一階模態(tài)的實測結(jié)果,頻率為175.7Hz,振型為頭部垂向擺動;圖4為前四階模態(tài)的計算與試驗頻率對比圖,由圖及表1可知,第二階頻率結(jié)果誤差最大(12.57%),第三階頻率誤差最。0.17%)?梢园褜崪y結(jié)果作為目標(biāo)值,修改有限元模型的質(zhì)量、彈性模量等參數(shù),減小模態(tài)計算結(jié)果與實測結(jié)果的誤差。另外,通過模態(tài)測試得到結(jié)構(gòu)的阻尼參數(shù),如表1所示。
  3 隨機響應(yīng)分析
  對于一個具有N自由度的結(jié)構(gòu),在隨機載荷y( t )的作用下,頻域內(nèi)的動力學(xué)方程為:
  -ω2M+jωC+KXω=Yω(2)
  式中,C為阻尼矩陣,Xω為頻域內(nèi)位移響應(yīng)向量,Yω為y( t )在頻域內(nèi)的載荷向量。
  采用模態(tài)疊加法對撒砂裝置進行隨機響應(yīng)分析,考慮其在自重及螺栓預(yù)緊條件下的振動響應(yīng),分析步驟依次為靜強度計算、模態(tài)計算、隨機響應(yīng)計算。首先在靜強度計算中考慮重力及螺栓預(yù)緊力的影響,然后進行考慮預(yù)應(yīng)力的模態(tài)計算,最后基于模態(tài)疊加法進行隨機響應(yīng)計算。
  圖5為目前鐵路行業(yè)通用的IEC 61373-2010軌道車輛安裝設(shè)備沖擊振動試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加速度功率譜密度曲線,取f2=500Hz,X=124.9 (m/s2)2/Hz。在ABAQUS軟件中,輸入圖5所示加速度功率譜密度曲線,添加實測得到的臨界阻尼系數(shù),求解得到撒砂裝置的動應(yīng)力響應(yīng),圖6為安裝臂圓孔邊緣(圖7均方根Mises應(yīng)力最大位置)的Mises應(yīng)力在頻域內(nèi)的功率譜密度曲線,由圖可知,在160Hz附近有一個波峰,這是因為撒砂裝置在156.72Hz上具有一階頭部垂向擺動的振動模態(tài),而加速度激勵在20~100Hz頻率范圍內(nèi)幅值最大,超過100Hz迅速減小,一階頻率156.72Hz靠近100Hz,二階頻率約為300Hz,故圖6僅出現(xiàn)一個波峰。
  4 疲勞評價
  Dirlik函數(shù)是一個描述隨機振動應(yīng)力分布特性的經(jīng)驗公式,常用于隨機振動疲勞應(yīng)力的評估。Dirlik概率密度函數(shù)可表達為:
  ps=D1Qexp-ZQ+D2ZR2exp-Z22R2+D3Zexp-Z222m012(3)
  式中:D1=2xm-γ21+γ2,D2=1-γ-D1+D211-R,D3=1-D1-D2,Q=1.25γ-D3-D2RD1,γ=m2m0m4,xm=m1m0·m2m4,R=γ-xm-D211-γ-D1+D21,
  z=s2 m0,mn=∫+
  SymboleB@-
  SymboleB@fnGfdf。s為應(yīng)力范圍,Gf為應(yīng)力功率譜密度,可由隨機響應(yīng)分析得出,mn是應(yīng)力功率譜密度的n階譜矩。
  根據(jù)Miner線性累積損傷理論,ps在時間T內(nèi)的疲勞損傷為:
  DT=αT∫psNsds(4)
  DT為時間T內(nèi)的疲勞損傷,Ns為疲勞曲線,α為雨流循環(huán)單位時間計數(shù)循環(huán)次數(shù),其值為α=m4m2。
  圖6得到關(guān)注部位的應(yīng)力功率譜密度曲線,當(dāng)安裝臂座的材料為Q235時,由式(3)及Q235材料的S-N曲線可得疲勞損傷值DT=5.6274>1.0,IEC 61373-2010標(biāo)準(zhǔn)采用5小時的長壽命隨機振動試驗?zāi)M列車安裝設(shè)備運行20年的服役歷程,通過DT反推可得現(xiàn)裂紋損傷的時間為0.8885h;根據(jù)試驗結(jié)果,當(dāng)時間T=1.2h時出現(xiàn)裂紋,因此計算值相對保守;當(dāng)安裝臂座的材料為Q345時,由式(3)及Q345材料的S-N曲線可得疲勞損傷值DT=0.8999<1.0,在設(shè)計壽命內(nèi)不會出現(xiàn)疲勞裂紋。因此,安裝臂座宜選用Q345材料。
  5 結(jié)論
  撒砂裝置的動力學(xué)性能及疲勞強度直接影響結(jié)構(gòu)的安全,采用模態(tài)計算和模態(tài)試驗相互對標(biāo)的方式可以校驗有限元計算模型,獲得阻尼比等參數(shù),作為基于模態(tài)疊加法的隨機響應(yīng)分析的輸入?yún)?shù),計算結(jié)構(gòu)在隨機加速度作用下的振動響應(yīng),進而采用Dirlik概率密度函數(shù)評估疲勞強度,可有效地支撐設(shè)計選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,所形成的分析流程對車輛安裝設(shè)備有限壽命設(shè)計具有借鑒意義。
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