客车车体底架疲劳裂纹评价.pdf

景用。检修
文章编号:1002-7610(2011)06-0041-05
客车车体底架疲劳裂纹评价
Hyun- Kyu Jun,等(韩)
摘要:建立了客车车体的有限元模型,采用断裂力学,计算出客车底架临界裂纹尺寸和裂纹扩展率。通
过对比有限元分析和物理加载试验获得的侧梁变形,对其进行了验证。在一定条件下,该裂纹分析过程可适
用于铁道车辆临界裂纹和裂纹扩展速率的评估。
关键词:客车;临界裂纹尺寸;评价;韩国
中图分类号:U270.1+2
文献标识码:B
Fatigue Crack Evaluation on the Underframe of Passenger Carbody
Fyun-kyu Jun, et al.(Korea)
Abstract: The finite element model of passenger carbody is set up. The critical crack size and crack growth
rate of passenger car underframe are calculated with the fracture mechanics. The verification is made through
comparison between the finite element analysis and the sidesill deform obtained in the physical loading test.
Under certain conditions, the crack analysis process can be applicable to the evaluation of critical crack and
crack growth rate for rolling stock.
Key words: passenger car; critical crack size; evaluation; Korea
概述
由于客车的使用寿命延长,本研究对其裂纹的
安全性进行了评估。通过在车体重要承载部件中梁
铁路运营公司重点关注的是能通过现有检测技术和侧梁的薄弱点模拟虚拟裂纹,计算了在乘客和车
检测到的裂纹。如果裂纹扩展足够慢,那么可以采取辆质量作用下的临界裂纹尺寸。临界裂纹尺寸是基
例行检査来防止运行过程中的失效。裂纹检测的时间于有限元分析结果和两种不同的材料条件决定的。
取决于可检测到的初始裂纹尺寸和失效破坏的最大裂裂纹扩展速率是利用客车运行试验测得的载荷谱进
纹尺寸。因此,通过计算裂纹扩展速率和最大失效裂行计算的。
纹尺寸,来制订定期检査日程表很重要日。客车的车
体是由[”型钢和钢板焊接而成,包括中梁、侧梁、横
2裂纹扩展模型
梁、各种梁件和立柱等。车体结构设计为承受乘客和
成功地运用线弹性断裂力学来模拟疲劳裂纹的扩
自重产生的垂向载荷、通过车钩传递的水平载荷和通展特性。等幅应力疲劳试验获得的数据允许在变幅載
过转向架传递的动载荷。中梁和枕梁连接处、侧梁和荷下进行裂纹扩展计算。
枕梁连接处是主要的负载点,承受着大部分载荷。因
个典型的裂纹扩展分析包括以下步骤[:
为连接处是通过焊接的方式连在一起的,所以它们成
(1)在网格中插入初始裂纹。如果裂纹位置不确
了潜在的裂纹萌生位置。应对车体进行保护,以防焊定,那么可采用弹性分析确定最高应力位置;
接缺陷和运营过程中重复疲劳载荷产生的疲劳损伤对
(2)分析和计算Kr和Kn;
车体造成损坏。如果整个寿命周期运营载荷在允许的
(3)应用Kr和K,找到裂纹扩展的方向
限度内,那么制造过程中的小缺陷可能一直保持着原
(4)在上述方向上使裂纹扩展一个单元长度;
来的样子,不会长大成为裂纹。另ー方面,如果载荷超
5)进行一个新的分析,并重复以上过程。
过了阈值,那么这些缺陷将会长大成裂纹并不断扩展,
然而,真实结构单元的修改是非常困难和耗时的,
从而导致车体断裂。除非采取适当的维护(例如补焊)因为需要进行几十万单元的修改和百万计的重复运
才会阻止车体断裂。中梁和枕梁连接处、侧梁和枕梁算。因此,这种方法很少用来进行真实复杂结构的分
连接处的裂纹会严重地影响车体的耐久性。
析。有关该种裂纹扩展分析的细节可査阅其他文献
收稿日期:201107-04
但是,变动载荷下的裂纹扩展取决于载荷一时间历
国外铁道车辆第48卷第6期2011年11月
程、化学环境、结构类型和材料等因素。如果裂纹扩展
是每个载荷循环下裂纹长度增量的简单叠加过程,运
临界裂纹尺寸
用线性裂纹扩展假设来进行裂纹扩展预测是很方便3.1结构分析模型
的
为了预测车体的关键点,开发了韩国汉城地铁4
号线客车的有限元模型。本研究开发模型时,仅考虑了
裂纹扩展的 Paris定律为
包含中梁、侧梁、枕梁、端梁、各种立柱、梁件、侧墙和车
N=C(△K:)m
2)顶等主要部件。图1为客车的有限元模型。考虑到客车
式中:C和代表的是材料常数
是由型钢和板焊接而成,因此,有限元模型采用売单
本过程仅运用在以下假设的情况下
元。采用了二阶四边形单元来提高分析的准确性。采用
△a取决于瞬间尺寸a,且与製纹扩展历程无关
的有限元分析软件是 ABAQUS V.6.7.1。
在文献中已提出了大量的疲劳裂纹扩展模型来描
无乘客时的车体质量是42.40[,不包括内外部设
述裂纹扩展速率(△a/△N)和应力强度因子范围(△K)
备的车体结构的质量为9.28t。乘客质量按照最大载
的关系。许多关系中,考虑采用应力比(R)作为重要参
数。目前的研究采用的是 Waker等式[i。
重18t来计算。车体质量加乘客质量总计6C.40t,以
压力的方式均匀施加在车体地板上。采用的动力系数
△a/△N
(1一R)
(3)是1.2。表1列出了车体的材料特性。侧梁、端梁和横梁
SM490A的材料常数为热影响区C=5.71×材质为SUS31L,中梁和枕梁材质为SM490A
10-,m=3.69,y=0,74。焊后热处理区C=3.76
图1(b)展示了有限元模型的边界条件。因为车
109,m=3.17,y=0.9C。
体是关于中心面对称的,因此,仅对车的进行建
gx=0平面
对称平面
(a)车体的有限元模狲
(b)施加載荷与边界条件
(c)垂向载倘试验
图1有限元模型的验
表1客车车体采用的材料及性
般情况下,枕梁是很坚硬的,但是中粱和侧梁相对柔
软,因此,这些点应力高度集中。图2(b)展示了侧梁
类型服强度抗拉强度
断栅度
材料应用
IMP
MP
/(Mpa Ym
部位
变形的对比。试验测得的最大变形是4.27mm,有限元
分析的最大变形是4.07mm。如图2所示,二者差别很
HAZ:238MPa√m
小。因此,认为有限元模型是正确的。
SM49UA1≥320≥52
中貔、
PWHT:231MPay√m
3.2临界裂纹尺寸
分别在中梁和枕梁的连接处、侧梁和枕粱的连接
模,对对称平面施加约束(x=0)。车体在枕梁处施加x处模拟了虚拟裂纹,来评