某型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架撒砂裝置模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析
發(fā)布時(shí)間:2018-06-26 來源: 感悟愛情 點(diǎn)擊:
摘 要:動(dòng)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(jī)振動(dòng)激擾,為評估疲勞壽命,指導(dǎo)設(shè)計(jì)選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,結(jié)合模態(tài)計(jì)算與模態(tài)試驗(yàn)對標(biāo)研究,校驗(yàn)有限元模型,獲得模態(tài)參數(shù),并綜合隨機(jī)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(jī)振動(dòng)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(dòng)車組車輛安裝結(jié)構(gòu)的有限壽命設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:撒砂裝置;模態(tài)分析;隨機(jī)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(dòng)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(dòng)力學(xué)性能及疲勞強(qiáng)度直接影響結(jié)構(gòu)的安全。傳統(tǒng)的疲勞設(shè)計(jì)方法通過對典型工況進(jìn)行靜力學(xué)分析,提取其主應(yīng)力,計(jì)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(qiáng)度,找出薄弱區(qū)域。撒砂裝置在列車運(yùn)行過程中承受寬頻帶隨機(jī)振動(dòng)載荷,在疲勞分析時(shí)應(yīng)考慮其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。因此,對撒砂裝置的隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析應(yīng)分為隨機(jī)響應(yīng)分析和疲勞強(qiáng)度評估兩個(gè)階段。隨機(jī)響應(yīng)分析通常包括時(shí)域和頻域兩種方法,時(shí)域方法即在時(shí)域內(nèi)輸入隨機(jī)載荷數(shù)據(jù)(通常為加速度),輸出的應(yīng)力響應(yīng)以時(shí)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(lì)載荷,輸出的應(yīng)力功率譜密度采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的評估。
2 模態(tài)分析
轉(zhuǎn)向架撒砂裝置通過4個(gè)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(yàn)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(jì)算和模態(tài)試驗(yàn)。
模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有屬性,通過計(jì)算或試驗(yàn)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(jì)算采用ABAQUS軟件進(jìn)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(dòng)關(guān)系;采用Busing連接模擬轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn),并設(shè)置其剛度。模態(tài)試驗(yàn)在現(xiàn)車安裝狀態(tài)的撒砂裝置上采用小錘錘擊激勵(lì)的方法開展,加速度傳感器根據(jù)模態(tài)計(jì)算的振型結(jié)果進(jìn)行布置。
圖2為前兩階模態(tài)的計(jì)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(dòng)和繞橫向扭轉(zhuǎn);圖3為一階模態(tài)的實(shí)測結(jié)果,頻率為175.7Hz,振型為頭部垂向擺動(dòng);圖4為前四階模態(tài)的計(jì)算與試驗(yàn)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(shí)測結(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(jì)算結(jié)果與實(shí)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(jī)響應(yīng)分析
對于一個(gè)具有N自由度的結(jié)構(gòu),在隨機(jī)載荷y( t )的作用下,頻域內(nèi)的動(dòng)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(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析,考慮其在自重及螺栓預(yù)緊條件下的振動(dòng)響應(yīng),分析步驟依次為靜強(qiáng)度計(jì)算、模態(tài)計(jì)算、隨機(jī)響應(yīng)計(jì)算。首先在靜強(qiáng)度計(jì)算中考慮重力及螺栓預(yù)緊力的影響,然后進(jìn)行考慮預(yù)應(yīng)力的模態(tài)計(jì)算,最后基于模態(tài)疊加法進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)計(jì)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(dòng)試驗(yàn)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(shí)測得到的臨界阻尼系數(shù),求解得到撒砂裝置的動(dòng)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(gè)波峰,這是因?yàn)槿錾把b置在156.72Hz上具有一階頭部垂向擺動(dòng)的振動(dòng)模態(tài),而加速度激勵(lì)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(gè)波峰。
4 疲勞評價(jià)
Dirlik函數(shù)是一個(gè)描述隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力分布特性的經(jīng)驗(yàn)公式,常用于隨機(jī)振動(dòng)疲勞應(yīng)力的評估。Dirlik概率密度函數(shù)可表達(dá)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(jī)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(shí)間T內(nèi)的疲勞損傷為:
DT=αT∫psNsds(4)
DT為時(shí)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(shí)間計(jì)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(shí),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(shí)的長壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M列車安裝設(shè)備運(yùn)行20年的服役歷程,通過DT反推可得現(xiàn)裂紋損傷的時(shí)間為0.8885h;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)時(shí)間T=1.2h時(shí)出現(xiàn)裂紋,因此計(jì)算值相對保守;當(dāng)安裝臂座的材料為Q345時(shí),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(jì)壽命內(nèi)不會(huì)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(dòng)力學(xué)性能及疲勞強(qiáng)度直接影響結(jié)構(gòu)的安全,采用模態(tài)計(jì)算和模態(tài)試驗(yàn)相互對標(biāo)的方式可以校驗(yàn)有限元計(jì)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(jī)響應(yīng)分析的輸入?yún)?shù),計(jì)算結(jié)構(gòu)在隨機(jī)加速度作用下的振動(dòng)響應(yīng),進(jìn)而采用Dirlik概率密度函數(shù)評估疲勞強(qiáng)度,可有效地支撐設(shè)計(jì)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(jì)具有借鑒意義。
參考文獻(xiàn)
[1]孟凡濤, 胡愉愉. 基于頻域法的隨機(jī)振動(dòng)載荷下飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2012,44(1):32-36.
[2]張鵬, 費(fèi)慶國, 吳邵慶,等.基于模態(tài)疊加法的面壓載荷與基礎(chǔ)激勵(lì)等效方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2017, 47(2) :331-335.
[3]王正, 謝里陽, 李兵. 隨機(jī)載荷作用下的零件動(dòng)態(tài)可靠性模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007,43(12): 20-25.
[4]Liangmo Wang,Yufa Chen,Chenzhi Wang,et al.Fatigue Life Analysis of Aluminum Wheels by Simulation of Rotary Fatigue Test[J]. Strojniski vestnik-Journal of Mechanical Engineering,2011,57(1):31-39.
[5]Guo Qintao,Chen Jian,Zhang Lingmi,et al.Random response analysis based model validation and structural optimization of a vibration fixture[J].Proceedings of the IMAC-XXVII, 2009:9.
[6]尹振坤. 動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架端部結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法的對比[C].第八屆中國智能交通年會(huì)優(yōu)秀論文集. 北京:電子工業(yè)出版社,2013:9.
[7]趙少汴. 有限壽命疲勞設(shè)計(jì)法的基礎(chǔ)曲線[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì),1999,11(1): 5-18.
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