No. 4Apr. 2021
第4期2021年4月组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：1001 -2265(2021)04 -0045 -04
DOI ： 10.13462/j. cnki. mmtamt. 2021.04. 011
辛俊胜，商跃进，薛海，杨朋朋，张洁娟
(兰州交通大学机电工程学院，兰州730070)
摘要：针对轨道车辆转向架焊接部位疲劳薄弱问题，以某型高速动车组焊接构架为研究对象，采用
ABAQUS 建立有限元模型获得焊接构架危险区域以及该区域应力-载荷转换系数；建立动车组整车 动力学模型，通过施加轨道不平顺获得构架转臂定位座处载荷-时间历程，在此基础上通过雨流计 数法编制16级载荷谱。根据应力-强度干涉模型建立了构架疲劳可靠性模型，并采用一次二阶矩 法分析了焊接构 架可靠性和灵敏度随运行里程的变化规律。研究结果表明：车辆运行至1200万公 里时焊接构架可靠度为0.997 7，满足1200万公里安全运营里程的规定；随着车辆运行里程增加， 转换系数K 和材料参数)对焊接部位可靠度影响显著；上述研究结果可为焊接转向架的设计以及 结构改进提供参考。
关键词：焊接构架；载荷谱；一次二阶矩；疲劳可靠性中图分类号:TH162 ；TG506 文献标识码:A
Fatigue Reliability Analysis of Bogin Welded Frame Based on Load Spectrrm
XIN Jun-sheng ,SHANG Yue-jin , XUE Hai , YANG Peng-peng ,ZHANG Jie-juan
(School of Mechanical Engineering , Lanzhou Jiaotong University , Lanzhou 730070, China )
Abstract : In view of the fatigue weaknes s of bogie welding parts of rai.1 vehicles , taking the welded frame of a high-speed EMU as the research object , ABAQUS is used to establish the finita element model to ob tain the dangerous aree of welded frame and the stress load conversion coeffcient of the ae ； the dynamic model of EMU is established , and the load hme history at the positioning seat of the rotting arm of the frame is obtained by applying the track irregulaCty Based on the rain fow counting method , the 16 level load spectrum is compiled. Based on the stress strength interference model , the fatigue reliability
model of the frame is established , and the variation of the reli.abaay and sensitivity of the welded frame with the run ning mileage is analyzed by the first-ordea second moment method. The research esulta show that the reli.a- bility of welded frame is 0. 998 7 when the vehicle runs to 12 million km , which meets the requirements of 12 mi l ion km saf)op)aahion milag)； wihh hh)inca)as)ofv)hicl aunning milag), hh)conv)asion co)f i- cient K and material parameter m have a significant impact on the reliability of welded parts ； the above re- seaech eesulscan peovideeefeeencefoe'hedesign and seuc'uealimpeovemen'ofwelded bogie.Key words : welded frame ； load spectrum ； first and second moment ； fatigue reliability
0引言
转向架是铁路机车车辆的重要组成部分，而焊接 构架又是轨道车辆转向架的主要零部件之一，起着承 载、连接以及传递载荷的作用［1］。轨道车辆的车轮在 运行一段时间后会因滚动接触、牵引、制动和车辆振动 等多种因素的影响而产生磨耗，使得轮轨间作用力增 大，从而导致焊接构架在服役过程中应力随之增大，容 易产生疲劳裂纹，影响车辆的运行安全。
在转向架疲劳寿命研究当中，相关学者做了诸多 研究：卢耀辉等⑵参照UIN 515强标准对比分析了考
虑焊缝和不考虑焊缝的客车构架疲劳强度，并绘制构 架Goodman 曲线；刘旭等［3］选取构架箱体梁为研究对 象，以静强度为基础建立了主焊缝关于名义应力、结构 应力和缺口应力的三种应力模型，并进行寿命预测；文
献［4强］根据焊接结构疲劳失效的特点发展了热点应 力和缺口应力的分析方法，排除了接头名义应力的分 散性。焊接件的焊缝是最容易出现疲劳破坏的部位, 而且疲劳破坏通常发生在焊缝的焊趾处，并沿着焊趾 在厚度方向上扩展⑷；文孝霞等［7］对焊接构架焊缝参 数进行敏感性分析，表明焊接厚度和焊接熔深将直接
收稿日期：2020-03 -07
*基金项目：北京交通大学轨道车辆结构可靠性与运用检测技术教育部工程研究中心开放课题(219008)；甘肃省高等学校科研项目(2018B-028)；
广东省普通高校青年创新人才项目(2018G2QNCX075)
作者简介：辛俊胜(1995-)，男(甘肃民勤人(兰州交通大学硕士研究生(研究方向为机车车辆零部件疲劳可靠性及CAD/CAE , ( E - mail )
1414570434@qq. am ；通讯作者：商跃进(1969-)，男(河北南皮人(兰州交通大学教授(研究方向为车
辆零部件设计与疲劳可靠性, (E - mail ) Shangyj@ mail. lzjtu. cn o电解水制氢机
-46-组合机床与自动化加工技术第4期
电子管功放机影的；王⑷选用热点应力法对：构
劳预测，由于热点应力法考应力
的影响，因此相对于应力法精高。
考虑随机变量的不对的影
，以应力强度理论为基础，建靠
数，用一次对处进行
靠析，以的形式描述运，并对
随机变量灵敏析。该方为转向
架的设计、结改制护策参考。
1可靠性设计理论
2
1.1可靠性分析
靠析是通过由数的求出的
靠，其结由影数的随机变量所
的[9]o数由式⑴示：
Z=R-S=g(A),x=[0,0，…，0]⑴
式中，R为结构强度;S为工作应力；A为随机变量参
数，#为影 靠度参数的数量。
一次求靠用的析方，通
过将非的数展开数，从而计
靠性指标并求靠度。
各随机变量参数的均值为9=
[9a,,]T，将状态函数-(A)在均值点9
处展开成Taylor级数并保留一次项，得到：
占a-A(9x)
-(A)=-(9)+#a A(A-9"(2)
则状态函数的均值和标为：
9=-(9)(3)
状态函数g(A)对各随机变量A求偏导为:
J-=[J-…
-a t L-a,-a2-A#靠指标和靠为：
9-(9) 3=+Z=
R=：(3)(5)
(6)
(7)
1.2可靠性灵敏度分析
靠性灵敏度反应随机变量参数对机械可靠影响的大小，灵敏度绝对值越大，该参数对可靠影响越。根据靠度计式随机变量均和方的灵敏计式为式(8)、式(9)：
厨师帽
aR aR a/3 a9a B a9 aR=aR墮a+0"a/3a+0(8)
(9)
其，
a R a/3
1
石exp(-昇)(10)
a-A(9)
a A
槡[F+0
[气打+”Z(9
｛槡[中+0
构架静强度分析
a9
2.1有限元模型建立
(11)
(12)
高速动车组转向主要由管梁、纵
向连接梁和侧梁为H型，为高计，依
据结构特点载，对不影响求解结果
的一些孔以结化处理。根据整
体，并考处应力结果的，在Hy-
permesh，用C3D8R元限元网格划
，生918501个单元,432098个点。图1为
转向限元模型。
图1焊接构架有限元模型
2.2载荷工况及边界条件
参考UIC615-与EN13749标准，考虑了电机载
荷、载荷等外载荷，组合到驱动、直
制动、驱动、制动等49运营工况[10],
载荷条的第49载荷工况下所对应
的应力云图，如图2所示。
图2第49种工况下应力云图
部应力分析如表1所示[11]，由1转
臂定位侧梁连接处的应力最
大，因此选取此处来代个靠析。
表1构架局部应力分析
序位置&+/MPa
1定位侧侧梁连接焊缝区71.2
2侧梁梁连接焊9.8
3侧梁侧梁连49.2
4侧梁上侧梁连处40.8
5侧梁梁连
26.6
2021年4月辛俊胜，等：基于载荷谱的转向架焊接构架疲劳可靠性分析-47-
3载荷谱
3.1车辆动力学模型建立板端连接器
据350km/h车辆表2的相关参数建立的高速动车组多体动力学模型如图3所示。
图3车辆多体动力学模型
表2车辆主要参数
参数数
车体质量/j35
构架质量/j 2.3
轮对质量/j 1.5路肩枕
一系垂向刚度/(MN/m)7.5
一系垂向阻尼/(kN•e/m)10
抗蛇行减振器阻尼/(kN-e/m)12
轴重/t17
车辆定距/m17.375
声纳探鱼器轴jm 2.5
二系垂向刚度/(MN/m)7.5
系向阻尼j(kN.sjm)
10.4
二系横向减振器阻尼/(kN-e/m)15
3.2分级载荷谱
选运行以通过两种工况类型，直线工设置列车为350km/h，通过工况下设置列车为300km/h；车时间均设置为50s o高动车组动力学模型转臂处的采样频率为200Hz，载荷数据采集时间为50s，因此到1.0 E4个载荷信，对转臂定位域统计。
由于采集到的载荷数据样本量较大，采用8级谱分级数所反应的载荷数据不，因此，选择载荷数为16，以5%的载荷作为门[12]，对转臂定位域运行条件以运行条件时的载荷频次统计，得到运行条件下的16载荷谱如表3所示。
表3转臂定位座位置载荷谱
直线运行曲线通过
载荷/N频次载荷/N频次
241.3308679.8536
723.91872039.3182
1206.61573398.962
1689.3974758.439
2171.9486117.924
2654.6307477.518
3137.2248837.115
3619.926 1.02E+046
4102.515 1.16E+044
4585.17 1.29E+042
表
运通过
载荷/N频次载荷/N频次
5067.83 1.43E+041
5550.41 1.56E+041
6033.11 1.70E+041
6515.71 1.84E+041
6998.42 1.97E+041
7481.11 2.11E+041
3.3载荷与应力转化关系
对靠析需要得到相应的应力谱，此要将载荷谱转化为应力谱。转向动应力与动载荷对应关系，因此据有限元的计算结加的载荷值求对应的比例系数，具体结果按照式(13)求解：
K=+!(13)式中：代表相应的Von-mises应力；F代表标准规的相关载荷。为到更加精确的域的应力，用子模型法对转臂定位析。根据理，切型要研究的应力集中的区域[13]，对转臂定位型梁处建细的结精细网格划分。图4所示为所建子模型有限元模型(包含4条)。
断子模型建立正的方对比切域的应力应变结型一致，如结果一致，则认为该子模型的。通过该有限元模型的子模型要求，如图5所示。
图4模模图5模
子模型转臂定位型梁连■的应力值，由于最大应力节点条所位置，因此条点随焊化的应力如图6示，选大应力
对应的节点载荷转换系数K的计算。根据式(1)计算得到载荷-应力转换系数为K=1.71
。
-48-组合机床与自动化加工技术第4期
4可靠性灵敏度分析
转臂定位座焊缝处等效应力计式为：
4”1/m
=[丽#”(k)m](⑷
式中,4为车辆运数；厶为测公里数；U为循
次数，取200次；m为材料常数，取m=3.5；K为转换系数；'为i级载荷；”-为第i级载荷幅对应的次数[11]。
靠数为：
4”1/m
-(A=r-+|=r-[丽#”(k)m](15)
由式(15"可以看出影靠性的参数为：焊接接头疲劳许用应力r；载荷-应力转换系数k；材料参数m，其设都服从正，则参数表如表4所示。
表4参数表
随机参数均标准差许用应力r/MPa70 2.51转换系数k 1.710.17
料参数m 3.50.35
通过一次计靠度随运
程的变化如图7所示，并通过Monte-Carlo j行)由图7可以看出：
(1)车辆运1000万公里以后，靠性开低，当运1200时靠度为0.9987,3+设计要求；
(2)方法计到的可靠度结果非常接近，故采用一次计靠度结以。
100011001200130014001500
运行里万km
图7可靠度变化曲线
图8、图9为随机参数均值和方差随运行里程对的灵敏，由图8和图9可以看出：
(1)参数均对靠的影，转系数k对可靠性影为，许用应力『影小；
(2)参数方差对可靠度的灵敏度均为负值，且载荷-应力转换系数k灵敏度绝对大。
图8
100011001200130014001500
运行里程陌万km
图9参数方差灵敏度
5结论
(1)对转向限元分析，得到转臂定位处应力大，进而对应力
用子模型析计算，得到加精确的区应力值，并求载荷-应力转换系数K= 1.71o
(2)以强度-应力干涉理论为基础，建靠_
数，用一次对转臂位处
靠计和灵敏析，用Monie-Caaoo
一次计靠度的。
(3)车辆运1200时，靠
为0.9987,3+设计要求，转系数均和方
对可靠度的影为。
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(
编辑李秀敏)
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