基于LMS Virtual.Lab的货车转向架疲劳性能仿真研究

马思群，孙 凯，孙彦彬，聂春戈

（大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028）

1 引言

焊接转向架构架作为货物列车关键的承载和传力部件，其结构强度及疲劳性能直接决定车辆的运用安全。基于仿真方法的虚拟疲劳实验技术可有效避免物理实验开展时试验周期长、成本高等缺点，且具有较高的可靠性，已在复杂装备的设计过程广泛采用。对于焊接结构而言，目前国内外学者已采用名义应力法[1]、热点应力法[2]及网格不敏感结构应力法[3]等方法对焊缝部位的疲劳性能进行评价，但这些方法所获得的评估结果多是有限个评估点的计算结果，且疲劳寿命多以数值方式（如循环次数）表达，难于在设计阶段对产品进行快速评估。为此在研究中依据国际铁路联盟（UIC）所规定的相关标准－货车二轴和三轴转向架强度试验UIC510-3[4]，以某型货物列车转向架构架为例，选择ANSYS、LMS Virtual.Lab 为虚拟疲劳试验平台，借助CAE 软件的数据接口，快速实现构架结构强度校核及疲劳性能仿真，并以可视化（疲劳寿命云图）方式获取构架的整体寿命计算结果。

2 转向架模型的建立

2.1 转向架构架有限元模型的建立

构架采用整体焊接结构，主要由1根心盘梁、2根横梁和2根侧梁等组焊而成。由于该构架具有对称性，以横梁、心盘梁的中心面为基准，采用映射的方式进行建模。采用板壳单元shell181对构架主体薄板焊接结构进行结构离散。轴箱部分采用三维实体单元solid185建模，弹簧结构用combin14模拟，并用rbe3建立弹簧与轴箱间的连接。本次共建立322645 个节点，划分363136个单元。整体模型和局部模型，如图1所示。

图1 转向架构架的有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Bogie Frame

2.2 材料属性的设定

该转向架构架采用Q345组焊而成，轴箱采用B级铸钢材料。模型的材料属性设定，如表1所示。

表1 材料属性Tab.1 Material Properties

3 强度计算边界条件的确定

3.1 静强度边界条件

3.1.1 载荷条件

（1）垂向载荷

式中：Fz—作用在转向架上的垂向静载荷；Q0—每个车轮作用到轨道承受的静载荷强度；m+—转向架质量。

式中：Fzmax1、Fzmax2—心盘单独、同时加载时的垂向载荷。

式中：2bg—旁承横向中心距；ɑ0—侧滚系数。

（2）横向载荷

式中：Fymax—作用在下心盘位置的横向载荷。

（3）轨道扭曲载荷（位移量）

按照1%轨道扭曲量计算，该转向架的轴距为1400mm，即1、4位或2、3位线弹簧单元处垂向位移量为±14mm。

3.1.2 约束条件

在有限元模型中，强制位移约束施加在线弹簧单元处。作用在构架上的垂向载荷施加在心盘面及旁承面上，横向载荷施加在心盘横端面，二者均以面压力载荷的形式加载，如图2所示；轨道扭曲载荷作用在1、4位或2、3位线弹簧单元处，以14mm的垂向抬高量施加。

图2 计算模型边界条件简图Fig.2 Boundary Conditions of Computational Models

3.1.3 组合工况

为验证该货物列车在极限载荷共同作用的实际运营条件下，转向架构架是否产生塑性永久变形，进行的超常载荷工况验算，如表2所示。

表2 超常载荷工况Tab.2 Extraordinary Load Conditions

3.2 疲劳分析边界条件

3.2.1 载荷条件

（1）垂向载荷

式中：ɑ—侧滚系数；β—浮沉系数，依据UIC标准取为0.3；FZ—总垂向静载，取值同式（1）。

（2）横向载荷

式中：Fy—作用在心盘位置的横向载荷。

（3）轨道扭曲载荷（位移量）

按照0.5%轨道扭曲量计算。

3.2.2 约束条件

约束条件与静强度分析一致，强制位移约束都是施加在线弹簧单元处。不同的是，将施加在线弹簧单元处的轨道扭曲载荷更改为7mm的垂向抬高值。

4 焊接构架的静强度评价

4.1 焊接构架静强度标准

UIC规定，对由延展性较好的塑性材料组成的构架进行静强度校核时，依据第四强度理论对其进行静态屈服评价。

式中：[σ]—许用应力σs—材料的屈服强度；σi—主应力（i=1，2，3）；σeq—节点等效应力，即ANSYS导出的Von Mises应力。

该焊接构架的钢材型号为Q345，构架在心盘梁及侧梁处上下盖板处最大板厚为43mm。依据GB/T 1591－2008标准[5]，此厚度条件下材料的屈服强度应大于325 MPa。基于安全考虑，同时依据EN12663标准[6]，超常工况下非焊缝区安全系数取1.15，因此其许用应力取值为282MPa。

4.2 焊接构架静强度评价

在超常载荷工况下，转向架最大Von Mises应力出现在第四工况，位置出现在轴箱上表面外侧与构架侧梁下盖板交界处，值为238.267 MPa，小于构架在超常工况下的许用应力。

图3 第四工况下转向架构架合成应力云图Fig.3 Bogie Frame Contour Plot of Stress under the Fourth Working Condition

表3 各工况下最大应力及安全系数Tab.3 Maximum Stress and Safety Factor under Various Working Conditions

4.3 小结

在静强度分析工况下，转向架构架最大的Von Mises应力均小于材料的许用应力，且具有较可靠的安全系数；在不同工况下，轴箱上表面外侧与构架侧梁下盖板交界处、下心盘上表面与横端面处以及转向架构架侧梁下盖板减薄处应力较大；构架的受力变形均处于弹性变形阶段，构架在去掉荷载后，不产生塑性变形，可达到UIC510－3中对构架静强度校核的限定。

5 焊接构架的疲劳试验仿真

5.1 LMS Virtual.Lab 平台的介绍

LMS Virtual.Lab虚拟仿真平台可实现快速对构架疲劳性能试验仿真，其Durability模块是专门用于疲劳耐久性仿真分析的集合。借助该平台，可快速评价产品的疲劳性能。利用该平台进行寿命疲劳分析的流程，如图4所示。

图4 应力寿命疲劳分析的流程图Fig.4 Flow Chart of Stress-Life Fatigue Analysis

5.2 疲劳试验仿真的建立

5.2.1 疲劳试验载荷及加载

UIC标准规定的疲劳试验边界条件与3.2所述基本一致，但由于产生疲劳损伤主要为动态力，故只将动态力用于疲劳试验。垂向载荷动态部分用于模拟跳动，其数值为浮沉系数乘以垂向静载荷。横向载荷动态部分的取值为疲劳分析时横向载荷的50%。基于运营安全性考虑，将上述边界条件同时施加到疲劳分析的构架有限元模型中。UIC标准规定的动态载荷疲劳加载试验分为三阶段，如图5所示。

图5 疲劳试验加载三阶段示意图Fig.5 Three-Stage Diagram of Fatigue Test Loading

5.2.2 有限元计算结果的导入

该平台提供了广泛的数据接口，能够直接读取各类有限元软件的模型和计算结果文件，并以此为基础进行疲劳分析。将经ANSYS计算后得到的用于疲劳分析的结果文件（*.rst）添加到平台中，如图6所示。

图6 转向架构架第一工况下Von Mises应力云图Fig.6 Bogie Frame Contour Plot of Von Mises Stress under the First Working Condition

5.2.3 载荷谱的编制

建立准确完善的疲劳试验加载载荷谱是保证仿真试验可靠性的关键。UIC标准规定疲劳试验单侧动载加载曲线的循环周期次数为20次。用于疲劳试验加载频率应介于（2～7）Hz之间，故疲劳仿真的加载频率设定在5Hz。由于垂向动载荷及横向动载荷二者加载频率、加载幅值均相同，同时加载且采用相同的加载波形。与5.2.1中设定一致，即整体构架可采用同一个载荷谱用于疲劳试验的仿真。依据上述设定，利用疲劳耐久性分析软件Ncode建立上述载荷谱。

5.2.4 S-N曲线的编制

该疲劳试验加载次数达到107高循环加载范畴，应用应力—寿命方法进行疲劳寿命估算，由常幅加载获得的准确可靠的S-N曲线是疲劳寿命评估的基础。根据GB/T 1591-2008及文献[7]对Q345高周疲劳的研究，转向架构架的材料疲劳属性（应力比R=-1）设定如下：疲劳极限δE=264MPa，对应的NE=107，拉伸极限和压缩极限分别为520MPa、1560MPa，曲线的斜率为7，表面状态修正系数β=0.9，尺寸修正系数为ε=0.9，拟合后材料的S-N曲线如图所示。

图7 材料Q345的S-N曲线Fig.7 S-N Curve of Material Q345

5.2.5 疲劳参数的设定

依据裂纹扩展研究理论以及项目实际经验，张开型裂纹是出现最多、危害最严重的裂纹。试验模拟为多向周期性循环应力加载，属多轴疲劳范围。基于损伤力学的临界面法，可依据金属疲劳萌生的机理、作用力以及试件特性等多因素来选取恰当的损伤量，是目前应用最广泛的一种公认的多轴疲劳寿命分析方法[8]。从外加循环应力的角度出发，零件的疲劳损伤除与外加应力幅有较大关系，并且还受到平均应力的作用。在循环加载超过二百万次高周疲劳区域，平均正应力直接影响零部件微观裂纹的开启和闭合状态。为了消除平均应力对高周疲劳的影响，采用Goodman平均应力修正方程对其补偿。综上，设定主要疲劳参数为：张开型裂纹，临界面法，Goodman修正。

完成设定后，对上述疲劳加载工况建立组合分析，设定重复因子来达到高循环加载量级。由于先前设定单个时间历程载荷谱的动态载荷循环次数为20次，依次将各阶段的重复因子设定为30万次、10万次以及10万次，经计算可得到各阶段的疲劳损伤。

5.3 试验仿真结果评价

依据Miner疲劳累积损伤理论[9]，假定在各加载阶段，转向架构架的累积损伤率为D，当累积损伤率超过限定值1时发生失效：

式中：di—各阶段损伤率（i=1，2，3）。

UIC标准对于转向架构架疲劳试验考核要求：在第一阶段不出现裂纹，并可通过无损探伤来检验（磁力探伤、渗透探伤），只允许在第二阶段完成后及第三阶段中出现实际运营中可能出现但不需要立即修复的微小裂纹。

疲劳加载第三阶段为最大动态载荷加载阶段，此阶段代表了疲劳损伤最严重的工况。该阶段的疲劳损伤为零，前两个阶段的结果于此一致，均无损伤，达到UIC标准要求，如图8所示。即在基于UIC标准进行虚拟疲劳试验加载情况下，该构架不发生疲劳损坏，满足疲劳试验的考核界定，属于无限寿命。

图8 第三阶段疲劳损伤与疲劳寿命云图Fig.8 The Third Stage Fatigue Damage and Fatigue Life Cloud Picture

6 结论

采用UIC标准对转向架构架疲劳试验的要求，借助LMS Virtual.Lab平台，提出一种关于对货车转向架构架的疲劳试验仿真的方法，仿真结果与仿真过程可满足UIC标准的限定与要求，该方法与现行方法相比，可快速获取产品的疲劳损伤危险位置与疲劳寿命云图，缩短设计周期，降低试验成本，对设计阶段的轨道交通装备疲劳性能的预测有较好的应用价值。但金属材料的焊缝区域是产品的薄弱环节，建议今后的研究应结合其他疲劳分析方法，进一步对焊缝的关键部位进行细致的分析。