列車底架吊裝試驗分析
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本文作者：程亞軍1高陽1劉洪濤1張銳2作者單位：1.長春軌道客車股份有限公司2.中國鐵道科學研究院標準計量研究所
對底架吊裝的仿真分析分為2個階段，首先將所有吊裝件同時安裝到車體底架，施加載荷進行仿真，確定工作條件最惡劣的吊裝連接座；然后根據試驗室試驗臺的布局和工裝等情況，取出包含工作條件最惡劣吊裝座的部分進行分析，從而指導試驗貼片的粘貼并作為與試驗結果對比分析的依據。
1底架吊裝結構
底架吊裝設備包含2個逆變器（SIV）、2個蓄電池箱、1個蓄電池充電設備，分別吊裝在底架的兩端和中部。每個逆變器的重量均為1600kg，蓄電池箱重量分別為1004kg與644kg，蓄電池充電箱重量為550kg。底架吊裝梁采用SUS301L-DLT不銹鋼焊接而成，材料的屈服強度為345MPa，吊裝的角型折彎件與橫梁分別采用點焊和弧焊相結合的方式焊接。吊裝結構的安裝布置如圖1所示。
2底架吊裝有限元模型
底架吊裝結構有限元模型以4節(jié)點薄殼單元為主，3節(jié)點薄殼單元為輔。有限元模型中單元總數741500個，結點總數752632個。圖2給出了底架吊裝結構的有限元網格模型。
3底架吊裝強度分析
底架吊裝靜強度分析執(zhí)行歐洲EN12663《鐵路應用鐵路車輛車身的結構要求貨運車》。疲勞分析執(zhí)行英國BS7608《鋼結構疲勞設計與評估》，采用該標準中F2等級的S-N曲線，通過累積損傷的方法對結構進行疲勞評估。靜強度分析工況僅列出2種最惡劣的工況，見表1。通過仿真分析，工況1、2對應的最大應力區(qū)域均發(fā)生在蓄電池吊裝座角型折彎件上，最大應力為322.5MPa。通過疲勞分析計算，蓄電池箱吊裝梁焊接部位的疲勞應力為23.5MPa，損傷為0.15。該損傷主要由縱向振動工況引起。蓄電池吊裝座在所有吊裝中比較危險，因此選擇包含蓄電池箱吊裝的局部底架結構進行詳細分析，并且進行強度和疲勞試驗。
4蓄電池箱吊裝強度分析
限于試驗場地和工裝的原因，底架局部吊裝模型長度取3m，如圖3所示。為了與實際試驗的安裝和定位相同，在兩側下邊梁底面進行固定約束，兩側邊梁端部施加縱向約束。仿真分析結果表明，應力較大位置基本都位于吊裝縱梁與底架橫梁折彎件焊接位置，分別為86.4MPa和-84.11MPa。
底架吊裝結構的疲勞試驗方法
底架疲勞試驗方法根據試驗場地的布置和工裝設計可以分為2種，一種是采用與車輛安裝相同的方式布置（正向），在試件下部放置作動器加載,；另一種是將底架反方向布置（反向），在試件上部放置作動器加載。試驗底架采用“反向”安裝方法，如圖4所示。
1工裝設計
試驗工裝設計必須考慮實際蓄電池箱的連接剛度，且保證加載位置位于蓄電池箱的重心。試驗通過橫梁和縱梁連接工裝保證連接剛度，橫梁通過螺栓、墊片連接到底架上，同時螺栓施加與實際工況相同的預緊扭矩。為了考慮側墻等的連接剛度，試驗時將底架邊梁下表面通過工裝進行約束，邊梁端部采用縱向止擋進行約束，同時在橫梁中部的邊梁位置用壓板將底架固定到工裝上。
2靜強度試驗
靜強度試驗工況、疲勞試驗工況與仿真分析工況相同，試驗過程中共粘貼片47個，位于吊裝座角型折彎件處和底架橫梁與折彎件焊接部位，試驗載荷通過作動器、工裝施加至蓄電池箱重心位置。靜強度試驗通過作動器、千斤頂等實現加載，按照表1所列工況進行加載，蓄電池箱端部吊裝座位置1的應變片貼片和仿真分析計算應力云圖如圖5所示。蓄電池箱端部吊裝座位置2的應變片貼片和仿真分析計算應力云圖如圖6所示。圖5所示位置的應力計算值為86.4MPa，試驗值為117.5MPa。圖6所示位置的應力計算值為-84.1MPa，試驗值為-125.6MPa。計算與試驗產生的誤差較大。經對比試驗模型與前期仿真分析模型，發(fā)現試件在圖5位置的吊座下部焊接漏焊，圖6位置的縱梁立面沒有按照前期優(yōu)化方案切割。經對仿真分析模型修改重新計算，圖5所示位置的應力計算值為122.7MPa，圖6所示位置的應力計算值為-136.2MPa，與試驗值比較，誤差均在10%以內。修正后的模型仿真分析應力云圖如圖7所示。該現象說明仿真分析與試驗的結合比較好，前期產生偏差的原因主要是試驗的局部吊裝結構與前期設計結構存在一定差別，因此控制好生產質量是結果對比的關鍵因素。通過對比分析，進一步驗證了仿真分析結果的可靠性，仿真分析對于提高結構設計的質量、指導試驗是十分有效的途徑。
3疲勞強度試驗
按照標準，疲勞試驗一般需進行1000萬次，試驗周期較長。為了縮短試驗周期，試驗單位大都采用疲勞加速的方法進行試驗，將試驗次數縮短至200萬次。試驗根據BS7608標準提供的S-N曲線進行疲勞加速試驗，通過公式（1）的加速方法得到200萬次疲勞載荷，在表2的基礎上放大系數為1.71倍，試驗采用3個方向的作動器分別加載，加載波形為正弦波形，200萬次試驗后，探傷沒有發(fā)現裂紋，結構滿足疲勞強度要求。
結論與展望
（1）通過某地鐵客車底架局部吊裝仿真分析與疲勞試驗方法研究，論證了仿真分析2步法，即首先從整體考慮，確定吊裝局部試驗模型，然后根據試驗條件對試驗局部模型進行詳細分析，確定試驗傳感器布置方式和位置。（2）疲勞試驗可以采用正向和反向的方法，具體根據試驗現場而定。疲勞試驗時要盡量與車輛實際運行相似，比如可通過靈活設計工裝，或從試驗加載等方面進行考慮。（3）疲勞試驗的加速方法，根據S-N曲線可以實現疲勞試驗的加速。（4）為了提高仿真分析與試驗結果的對比精度，一定要從仿真分析模型簡化與試驗構件的模型準確性一致性進行仔細對比，進一步考慮仿真分析與試驗對比的具體細節(jié)。
