轉(zhuǎn)向架構(gòu)架齒輪箱吊座服役行為試驗(yàn)及數(shù)值模擬仿真

林 鵬

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通事業(yè)進(jìn)入迅速發(fā)展期，特別是高速列車因其快速、安全、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)載量大等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。在軌道裝備業(yè)制造中，車體由轉(zhuǎn)向架支撐，具備轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的功能，確保動(dòng)車組在軌道上安全平穩(wěn)地運(yùn)行[1]。轉(zhuǎn)向架直接與輪軌相互作用，是決定列車走行性能最為關(guān)鍵的部件[2]。作為軌道交通高速列車車體承載的關(guān)鍵構(gòu)件，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接生產(chǎn)質(zhì)量對(duì)列車品質(zhì)和行車安全具有十分重要的意義[3]。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)，其中材料和焊接工藝是決定制造水平的關(guān)鍵因素。本研究通過(guò)數(shù)值模擬仿真與疲勞試驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)比較齒輪箱吊座內(nèi)腔焊縫的有無(wú)對(duì)疲勞性能的影響[4]。

1 典型結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算結(jié)果

齒輪箱吊座采用SMA490BW板材焊接而成，焊接結(jié)構(gòu)焊縫分布復(fù)雜，主要為內(nèi)腔焊縫和外部焊縫。為驗(yàn)證內(nèi)腔焊縫的有無(wú)對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響，在本次齒輪箱吊座疲勞強(qiáng)度分析中，利用網(wǎng)格軟件建立有內(nèi)腔焊縫和沒(méi)有內(nèi)腔焊縫的網(wǎng)格模型，采用不考慮和考慮焊接殘余應(yīng)力兩種不同方式對(duì)齒輪箱吊座結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度模擬分析[5]。

1.1 有限元模型的建立

在Hyper mesh中對(duì)齒輪箱吊座進(jìn)行前處理。齒輪箱吊座材料以SMA490BW為主，材料彈性模量2.06×105MPa，泊松比 0.3，同時(shí)視其為線彈性、各向同性材料。本模型采用四面體單元模擬進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于單元的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)求解結(jié)果和求解過(guò)程影響較大，而焊接位置及過(guò)渡處等易產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，故本研究特別對(duì)易產(chǎn)生應(yīng)力集中位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，從而改善網(wǎng)格的質(zhì)量和求解精度，使分析結(jié)果更準(zhǔn)確。細(xì)化的齒輪箱吊座有限元離散模型如圖1、圖2所示。其中有內(nèi)腔焊縫的網(wǎng)格由109 436個(gè)單元構(gòu)成，沒(méi)有內(nèi)腔焊縫的網(wǎng)格由104 600個(gè)單元構(gòu)成。

圖1 有內(nèi)腔焊縫網(wǎng)格（局部）

圖2 沒(méi)有內(nèi)腔焊縫網(wǎng)格（局部）

1.2 不考慮焊接殘余應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度

為了獲得準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力，在進(jìn)行疲勞仿真前使用Hyper works中的Radioss模塊分別對(duì)兩種不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，其中施加載荷和位置均與疲勞試驗(yàn)機(jī)上的載荷和位置一致，載荷21.9 kN，施加位置如圖3所示。

圖3 載荷施加位置

計(jì)算得到兩種不同焊接構(gòu)件的靜態(tài)應(yīng)力分布分別如圖4～圖7所示。

圖4 有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件正面應(yīng)力分布

其中有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力為33.34MPa，無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件最大應(yīng)力為33.32 MPa，兩者應(yīng)力分布位置一樣，誤差不到1%。

由于實(shí)際工況中的載荷譜獲取成本很高，而且此次疲勞強(qiáng)度分析只是為了對(duì)比有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)構(gòu)件和無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞性能，因此加載了與疲勞試驗(yàn)機(jī)一致的載荷譜，如圖8所示。

圖5 無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件正面應(yīng)力分布

圖6 有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件反面應(yīng)力分布

圖7 無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件反面應(yīng)力分布

圖8中縱坐標(biāo)是加載力轉(zhuǎn)化后的壓力值（單位：MPa）。疲勞曲線采用前期試驗(yàn)得到的SWA490BW材料的焊件疲勞曲線，如圖9所示。

采用如圖9所示的疲勞曲線定義材料的疲勞特性，疲勞壽命分析結(jié)果和疲勞損傷分布如圖10～圖17所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，兩種構(gòu)件在對(duì)應(yīng)的載荷譜和疲勞特性下的疲勞損傷最大值均為2.146E-6，兩種構(gòu)件的疲勞壽命均為3.33E19，即不會(huì)發(fā)生破壞。

圖8 疲勞載荷譜

圖9 SWA490BW材料的焊件S-N曲線

圖10 有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件疲勞壽命分布

根據(jù)上述分析結(jié)果，在不考慮殘余殘余應(yīng)力和焊接缺陷的情況下，兩種焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度性能無(wú)明顯差別，且不會(huì)發(fā)生破壞。

1.3 考慮焊接殘余應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度

為了確定疲勞載荷下的局部平均應(yīng)力σ1m和局部主應(yīng)力振幅σ1a，對(duì)齒輪箱吊座結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并加載疲勞載荷，疲勞載荷的加載大小與疲勞試驗(yàn)機(jī)上使用的大小相同。兩種不同結(jié)構(gòu)的構(gòu)件網(wǎng)格如圖18、圖19所示。

圖11 有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件疲勞壽命分布（局部）

圖12 無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件疲勞壽命分布

圖13 無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件疲勞壽命分布（局部）

圖14 有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件疲勞損傷分布

圖15 有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件疲勞損傷分布（局部）

圖16 無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件疲勞損傷分布

圖17 無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)件疲勞損傷分布（局部）

計(jì)算得出的疲勞載荷下的應(yīng)力分布云圖如圖20、圖 21所示。

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)力集中明顯的焊趾、焊根、孔洞、幾何突變處等區(qū)域進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的評(píng)定，具體評(píng)定區(qū)域如圖22、圖23所示，7個(gè)待評(píng)區(qū)域的對(duì)應(yīng)單元編號(hào)分別為：145673、54915、117104、142852、142803、24066、117290。

圖19 無(wú)內(nèi)腔焊縫構(gòu)件網(wǎng)格

圖20 有內(nèi)腔焊縫構(gòu)件應(yīng)力分布云圖

圖21 無(wú)內(nèi)腔焊縫構(gòu)件應(yīng)力分布云圖

確定好待評(píng)區(qū)域后，分別提取應(yīng)力集中區(qū)域?qū)?yīng)單元的最大主應(yīng)力，得到各個(gè)單元對(duì)應(yīng)的σ1m和σ1a，如表 1 所示。

表1 評(píng)定區(qū)域的局部平均應(yīng)力σ1m和局部主應(yīng)力振幅σ1a

圖22 構(gòu)件正面評(píng)定區(qū)域

圖23 構(gòu)件反面評(píng)定區(qū)域

由表1可知，上述7個(gè)區(qū)域中除了區(qū)域6和區(qū)域7，無(wú)內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的局部平均應(yīng)力σ1m和局部主應(yīng)力振幅σ1a均略大于有內(nèi)腔焊縫結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這可能是因?yàn)橛袃?nèi)腔焊縫焊接接頭處幾何過(guò)渡圓滑，應(yīng)力集中效應(yīng)更小。

2 典型結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)

對(duì)典型結(jié)構(gòu)按照動(dòng)力車—轉(zhuǎn)向架和走行裝置—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)（UIC 615-4－2003）方法進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)齒輪箱吊座設(shè)計(jì)要求加載試驗(yàn)載荷，疲勞試驗(yàn)機(jī)采用設(shè)備及加載情況如圖24所示。

圖24 疲勞試驗(yàn)機(jī)及構(gòu)架加載情況

對(duì)于局部構(gòu)件，設(shè)計(jì)要求疲勞次數(shù)為2×106次，應(yīng)力循環(huán)比均為-1，本項(xiàng)目構(gòu)架疲勞試驗(yàn)加載頻率為5 Hz，第一階段加載載荷為21.9 kN，構(gòu)件經(jīng)歷2×106動(dòng)態(tài)循環(huán)總次數(shù)后，經(jīng)磁粉和滲透探傷兩側(cè)均未發(fā)現(xiàn)裂紋；第二階段，加載載荷仍為21.9kN，經(jīng)歷2×106動(dòng)態(tài)循環(huán)總次數(shù)后，經(jīng)磁粉和滲透探傷后仍未發(fā)現(xiàn)裂紋；第三階段，加載載荷為第二階段的1.5倍，為32.85 kN，循環(huán)次數(shù)2×106，經(jīng)磁粉和滲透探傷后仍未發(fā)現(xiàn)裂紋；第四階段，加載載荷為32.85 kN，循環(huán)次數(shù)為2×106，經(jīng)磁粉和滲透探傷后仍未發(fā)現(xiàn)裂紋；第五階段，加載載荷為32.85 kN，循環(huán)次數(shù)為2×106，經(jīng)探傷后未發(fā)現(xiàn)裂紋。

由疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知，在經(jīng)歷1×107次交變載荷后，齒輪箱吊座均未發(fā)現(xiàn)裂紋，即吊座內(nèi)腔的焊縫不會(huì)影響齒輪箱的疲勞壽命，該焊縫僅作為一條連接縫存在。對(duì)構(gòu)架疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行磁粉探傷的圖片如圖25所示。

3 結(jié)論

（1）在不考慮殘余應(yīng)力和焊接缺陷的情況下，有內(nèi)腔焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和無(wú)內(nèi)腔焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件在對(duì)應(yīng)的載荷譜和疲勞特性下的疲勞損傷最大值均為2.146E-6，兩種構(gòu)件的疲勞壽命均為3.33E19，即兩種焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度性能無(wú)明顯差別，且不會(huì)發(fā)生破壞。

圖25 齒輪箱吊座疲勞試驗(yàn)后磁粉探傷

（2）在考慮殘余應(yīng)力的情況下，分別計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)件的7個(gè)區(qū)域的平均應(yīng)力σ1m和局部主應(yīng)力振幅σ1a，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)值大致相同。

（3）通過(guò)對(duì)內(nèi)腔背面有無(wú)焊縫結(jié)構(gòu)的齒輪箱吊座的疲勞壽命模擬計(jì)算結(jié)果可知，齒輪箱吊座內(nèi)腔背面的焊縫僅為連接焊縫，對(duì)吊座的疲勞壽命影響不大。通過(guò)內(nèi)腔背面有無(wú)焊縫結(jié)構(gòu)的齒輪箱吊座的構(gòu)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果，齒輪箱吊座經(jīng)歷1×107次循環(huán)次數(shù)后，經(jīng)磁粉探傷和滲透探傷后均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

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