某重载铁路货车疲劳强度分析

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摘要：随着铁路货车运行速度和轴重的提高，其产品在设计过程中所要满足的疲劳强度条件也变得愈发严苛。本文围绕重载铁路货车焊接结构的疲劳评估问题，采用AAR标准结合名义应力法对焊缝寿命进行预测，可以为我国重载铁路货车车体性能及其焊接结构疲劳评估提供有价值的参考。

关键词: 重载铁路货车; AAR标准; 焊缝疲劳寿命评估

Finite element analysis of fatigue of a heavy haul railway freight car

Abstract: With the improvement of the running speed and axle load of railway freight cars, the fatigue strength conditions to be met in the design process of their products have become more and more stringent. Focusing on the fatigue evaluation of welded structure of heavy haul railway freight car, this paper uses AAR standard combined with nominal stress method to predict the weld life, which can provide a valuable reference for the fatigue evaluation of body performance and welded structure of heavy haul railway freight car in China.

Key words: Heavy haul railway freight car; AAR standard; Weld fatigue life assessment

0引言

疲劳是指材料结构在应力和应变的反复作用下性能逐步劣化，也是铁路货车主要的破坏形式之一[1]。1829年德国人Albert[2]对矿山提升用的焊接链条重复加载，在100000次循环后，链条发生断裂，疲劳破坏事故原因才被真正到。疲劳的奠基人是德国学者Wholer[3]，他首次提出了S-N曲线及疲劳极限概念。1899年英国学者Goodmen[4]提出了受交变应力的零件在等寿命（等破环循环次数）的条件下，其平均应力与最大应力和最小应力的关系曲线“Goodmen”曲线。德国工程师Bauschinger[5]为了验证Wohler的疲劳试验，在1884年意外发现“循环软化”现象，但当时人们并未意识到此发现的重要性，直至半个世纪后，这一发现又被重新提起并命名为“包辛格效应”。在1945年，Miner[6]将线性累积损伤理论公式化，形成了举世闻名的迈纳尔线性累积损伤法则，该法则至今仍广泛应用。本文根据疲劳工况载荷，确定重点评估焊缝位置，再将AAR标准与BS标准相结合，基于AAR标准结合S-N曲线法对车体焊接结构进行疲劳寿命的评估。

1车体结构和有限元建模

1.1 车体结构组成及材料性能

该重载铁路货车车体由侧墙、底架及端墙焊接而成，其中侧墙由侧板、上侧梁、内外枕柱、内外侧柱及磨耗板等组成，上侧梁、侧柱、枕柱采用冷弯型钢材料。车体端墙由端墙墙板、上端横梁、横带、竖立柱及拨车座等构成。上述结构的材料采用3种钢材，分别为Q450NQR1高强钢、T4003不锈钢和C级铸钢，其材料性能见表1。

表1 车体材料性能参数

材料名称	车体部位	弹性模量（N/mm2）	密度（t/mm3）	泊松比	抗拉强度（MPa）	屈服强度（MPa）
Q450NQR1 高强度耐候钢	中梁、枕梁、横梁、纵向梁、压车梁等	206800	7.82E-09	0.29	≥550	≥450
T4003 不锈钢	侧墙、端墙板、地板及与货物接触部位圆弧板	206800	7.82E-09	0.29	≥480	≥350
C级铸钢	同性恋是怎么回事冲击座、心盘座、上心盘、旁承	206800	7.82E-09	0.29睡美宁	≥480	≥350

1.2 有限元模型

利用HyperMesh进行重载铁路货车的有限元建模，得到完整车体的有限元网格模型，如图1所示。模型中共包含177365个节点，186803个单元。

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图1 重载货车有限元模型

2 疲劳强度分析

2.1车体结构疲劳载荷计算

该重载铁路货车车体焊缝应力集中分析及疲劳寿命预测的疲劳载荷包括：垂向载荷、车钩纵向拉伸载荷和车钩纵向压缩载荷。其中垂向载荷经过单位换算后每个心盘载荷大小为12

95.2kN。纵向载荷分为拉伸载荷和压缩载荷，拉伸载荷为1800kN，作用于车体前从板座，压缩载荷为1800kN，作用于车体后从板座。综合考虑疲劳工况对货车车体焊接结构的影响，选取8条车体重点评估焊缝进行疲劳寿命评估，焊缝位置示意图如图2所示，焊缝详细位置见表2。



图2 疲劳评估焊缝位置示意图

表2 重点评估的焊缝位置说明

网络拓扑图

焊缝编号	位置名称
1	侧墙立柱与底部圆弧板之间的焊缝
2	侧墙与底部圆弧板在圆弧板上的焊缝
3	侧墙与底部圆弧板在侧墙上的焊缝
4	地板与底部圆弧板在地板上的焊缝
5	车内推车座与地板在地板上的焊缝
6	前从板座后立板与中梁腹板焊缝
7	地板与底部圆弧板在地板上的焊缝
8	地板与底部圆弧板在地板上的焊缝

3.2采用AAR标准结合BS标准进行疲劳评估

将AAR标准与BS标准相结合，基于AAR标准结合S-N曲线法进行疲劳寿命的评估的流程，如图3所示。

图3 名义应力法疲劳评估流程图

本次计算参照AAR标准中的90.7t高边敞车重车载荷谱，该高边敞车的轴重为29.5t，对40t重载铁路货车考虑到轴重超载5%的因素，取轴重为42t，则载荷谱换算系数为：42/29.5=1.42。重点考虑以下疲劳载荷工况的影响：① 垂向（心盘）载荷谱：对车体地板施加垂向载荷，通过约束心盘面来模拟心盘浮沉载荷，载荷谱换算系数为1.42。② 纵向载

荷谱：载荷谱直接采用AAR标准中90.7吨高边敞车重车和空车车钩载荷线路环境事件百分率谱，载荷谱换算系数为1。

3.3疲劳寿命评估结果及分析

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