西 南 交 通 大 学 学 报第34卷 第1期Vol. 34 No. 1 1999年2月Feb. 1999J OU RNAL OF SOU THWEST J IAO TON G UN IV ERSIT Y
机车转向架焊接构架 轻型化评定和疲劳强度分析 米彩盈
(西南交通大学 机车车辆研究所 成都 610031
摘 要 提出Bo 2Bo 轴式机车转向架焊接构架轻型化评定准则, 根据构架整体结构有限元法分析结果, 用边界元法分析了构架侧梁下盖板横向对接焊缝的应力分布, 讨论对接焊缝因其根部未焊透引起的应力集中和降低承受拉应力的对接焊缝应力状态的可行性方案, 比较理论分析与疲劳强度试验结果, 边界元法能较为准确地评述焊缝区域的应力分布状态。
关键词 边界元法; 疲劳裂纹; 焊接结构 分类号 U260. 331
随着铁道车辆技术的发展, , 。在不同运行:, [1]; 对高速列车焊接构架疲劳寿命需满足使用30年, 每年运行[2], 焊接构架时有疲劳破坏发生, 阻碍了焊接构架轻型化的实施。
以160km/h BO 2Bo 轴式准高速内燃机车H 型焊接构架为例, 用边界元法分析焊接构架侧梁下盖板横向对接焊缝在疲劳强度试验中产生疲劳裂纹的原因。构架的侧梁和牵引横梁为箱型结构, 箱型梁的上、下盖板厚为20mm , 腹板厚为10mm , 制造材料为St52钢板, 焊缝未进行TIG 重熔处理。
1 轻型化评定准则
机车转向架焊接构架设计及计算载荷包括垂向载荷、横向载荷和纵向载荷, 横向载荷和纵向载荷的大小主要取决于垂向载荷, 垂向载荷依赖于机车的轴重。垂向载荷分别作用于构架的
一、二系悬挂弹簧的安装座处, 在不考虑结构刚度突变引起应力集中的情况下,BO 2Bo 轴式机车转向架焊接构架在三向复合载荷作用下承受的最大力矩和由此引起的最大应力出现在一、二系悬挂弹簧的安装座区域附近。因此, 由“轴距×轴重/(构架重量×1m \得出的无量纲值能衡量焊接构架的轻型化水平。表1给出了我国高速动力车转向架GSD1及GSD2、德国西门子公司研制的准高速内燃机车
DE30C ,AM TRA K 转向架及ICE 高速动力车转向架和法国TGV 高速动力车转向架及焊接构架的一些主要技术参数和“轴距×轴重/(构架重量×1m \的值, 由此可见这六种焊接构架的轻型化程度在同一水平上。
收稿日期:1998203217 米彩盈:男,1965年生, 讲师, 硕士。
表1 BO 2Bo 轴式机车转向架及焊接构架主要技术参数 机车种类 机车代号 轴重/t
轴距/m 构架结构形式 构架重量/kg
轴距×轴重/(构架重量×1m GSD119. 53. 0高速电力机车GSD2193. 0H 型163035. 0TGV 173. 0H 型120042. 5ICE 193. 0准高速内燃机车DE30C 302. 9H 型230037. 8AM TRA K 302. 7H 型200040. 5口字型150039. 0口字型150038. 0
2 焊接构架疲劳强度试验
构架疲劳强度试验的主要目的是验证其疲劳强 度, 找出强度最薄弱的区域和评价疲劳寿命。疲劳试验 加载情况如图1所示。构架疲劳强度试验按U IC
Merkblatt 61524(1994 [3](简称U IC61524 实施, 总载荷循环次数为1. 0×107次, 荷由垂向载荷、横向载荷、, 图1 焊接构架疲劳强度试验加载示意图F z 1F z 2为垂向载荷, 作用于二系弹簧座
处;F y 1,F y 2和F y 3为横向载荷, 分别作用于二系弹 簧座处和横向止挡处; F x 1和F x 2为纵向载荷, 作 用于轴箱拉杆座处; F t 1和F t 2为扭曲载荷, 作用于 一系弹簧座处。
构架疲劳试验第二阶段(8. 0×106次 结束 后, 经无损检查(磁粉探伤法和着色渗透法 发现 在焊接构架侧梁下盖板横向对接焊缝区域发现 疲劳裂纹, 裂纹沿焊缝截面厚度方向的长度约4
mm , 如图2所示。按U IC61524评定为该焊接构 架的疲劳强度不合格, 需进一步改进结构设计和 焊接工艺规程, 重新制造焊接构架进行疲劳强度
试验, 直到8. 0×106次内不出现疲劳裂纹为止。图2 疲劳裂纹位置 3 疲劳裂纹分析
用NASTRAN/ARIES6. 0有限元软件对构架结
构强度进行有限元分析, 将构架划分为32891个三维20节点六面体实体单元、28个梁单元和24个杆单元, 节点总数为58936。梁单元模拟一系悬挂弹簧和轴箱拉杆, 二者之间的连接用杆单元模拟。垂向载荷作用于构架侧梁的二系悬挂弹簧安装座处, 横向载荷分别作用于构架二系
悬挂弹簧安装座和横向止挡上, 纵向载荷作用于牵引横梁上, 边界约束加于杆单元的节点上。
构架焊缝的焊接接头坡口形式为K 型、V 型和X 型, 在构架试制后期, 进行了焊接接头试验, 由于焊接工艺制定的不合理,X 型对接焊缝在焊缝根部未焊透。因此, 为了分析X 型对接焊缝产生疲劳裂纹的原因和焊缝缺口的应力集中情况, 用边界元法分析焊缝的应力分布。
3. 1 三维边界元法基本原理
对于一个三维弹性体结构, 在各向同性、均匀的线弹性力学研究中, 由广义虎克定律导出应力、应变关系的基本方程为
σεεδij =2μij +λkk ij 应变与位移满足关系式 εij =
由应力描述的平衡方程为 σij , i +b j =0 边界条件为
B Γ1:u i =u B Γ2:p i =i ij n (1 2(2 (3 (4 ε式中:u i σ, ij 和;b j i n j ; ij 为位移、 u i 和p i B B
υ(1-2υ , 弹性材料的切变模量:=Γ1+Γ2λ; =2G , μ=G , E 为材料的弹性模量υG =[+, 为泊松比。 由式(1 ～(4 导出确定弹性材料的位移平衡方程为 λ(+μ u k ,kj +μu j ,kk +b j =0(5
根据边界元理论[4], 由加权余量法导出弹性结构体模型的边界积分方程式为
( u i ξ( =c ij ξ∫Γ3(, x p j (x d Γ(x -u ij ξ
∫Γ3ξ(, x u j (x d Γ(x =p ij ∫Ω3(, x b j (x d Ω(x ξu ij (6
式中:cij 为边界面几何特征参数。对光滑边界面c ij =δij /2; 当ξ=Ω时,c ij =δij 。
机车转向架焊接构架轻型化评定和疲劳强度分析
