nCode用户论文 | 基于nCode软件的铁路货车侧架全节点疲劳寿命分析

声明：本论文来自上海山外山机电工程科技有限公司主办的“2024年产品可靠性及耐久性技术研讨会”nCode软件用户投稿。

基于nCode软件的铁路货车侧架全节点疲劳寿命分析

张露颖* 赵金凤

中车齐齐哈尔车辆有限公司大连研发中心

摘要：以某铁路货车侧架为研究对象，通过数值仿真计算，得到实际侧架上的应力分布，选择侧架薄弱位置的应力结果，然后根据应力结果和材料的S-N曲线，传统计算方法为根据疲劳公式计算出侧架薄弱位置的疲劳寿命，但本文采用将侧架有限元计算结果导入nCode软件，选择S-N曲线和载荷谱，计算得到侧架全节点的疲劳寿命结果，并将传统疲劳计算结果与nCode软件计算结果进行对比，结果一致性较好。

关键字：铁路货车，侧架，疲劳

     随着我国经济节奏的加快，铁路运输全面提速、重载战略的不断推进，列车运行安全备受关注，对运载工具可靠性的要求也越来越高。侧架作为铁路货车转向架主要承载部件之一，在使用过程中承受着较大的拉、压、冲击和弯曲等交变载荷，运行工况十分恶劣，其主要失效形式是疲劳破坏[1]。重载化和提速是我国铁路发展的两个既定方向，而关键部位的技术提升也是重中之重，关键部位的疲劳断裂问题成为制约货车技术提升的主要因素[2]，侧架作为车辆中的重要部件，其疲劳裂纹故障率呈上升趋势，疲劳裂纹问题日益突出。因此，为保证行车安全，开展侧架的全节点疲劳寿命研究十分必要。本文以某铁路货车侧架为对象，采用nCode疲劳分析软件对其进行全节点疲劳寿命评估。

     有限元分析方法的基本思想是借助简单而又相互作用的元素，即单元，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的过程，即利用数学近似方法对真实的物理系统(几何和载荷工况)进行模拟的过程。有限元分析的基本步骤为[3]，首先根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。其次对求解域进行离散，离散单元越小近似程度越好，但计算量也将越大。第三步是确定状态变量及控制方法，用一组微分方程表示。最后进行单元推导，将得到的单元矩阵进行总装求解，得到单元节点处状态变量的近似值。

     本结构模型为三大件式转向架侧架有限元模型，采用SIEMENS公司的NXCAE前后处理器与NXNASTRAN求解器对转向架侧架进行有限元分析。对该结构采用一阶四节点四面体单元进行网格划分，单元长度推荐7mm，侧架有限元模型如图1所示。

图1 侧架有限元模型

1.2侧架疲劳载荷

     根据TB/T 3549.2-2021《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 转向架第2部分：三大件式转向架》，侧架承受的的疲劳载荷有三种：垂向载荷、横向载荷和扭转载荷。C为轮对两轴颈的垂直静载荷，其值等于轴重减去轮对组成自重[4]。因此有：

C =（G-W）g

式中：G—-轴重  25t;

W—-1个轮对W1、2个轴承W2、2个承载鞍W3、2个橡胶垫W4重量之和。

疲劳载荷工况为：

第一工况：垂向载荷2.38C；

第二工况：横向载荷0.31C；

第三工况：扭转载荷0.2C。

1.3疲劳寿命估算方法

     零件或构件在低于材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下，经过一定的循环次数后在应力集中部位萌生裂纹。同时裂纹在一定条件下扩展，最终断裂，这一失效过程被称为疲劳破坏。疲劳破坏因其前期的隐蔽性以及后期的瞬发性而容易造成极大的经济损失和灾难性后果，因此对结构进行疲劳寿命的评估具有重要意义。

     名义应力法是广泛使用的一种寿命评估方法，该方法可以用来估算得到裂纹的形成寿命以及裂纹的扩展寿命之和。名义应力法基于构件各危险点的名义应力，根据材料的S-N曲线，考虑各种因素的影响，得到相应构件的S-N曲线，最后根据构件的S-N曲线评估其疲劳寿命。由于名义应力法的计算方法较为简单且应用经验丰富，因此尽管使用该方法估算寿命时需要利用许多修正系数和大量试验曲线，在应力水平较低、载荷较稳定的情况下，名义应力法仍是目前工程实际中广泛应用的一种高周疲劳寿命评估方法。

     该构架采用有限寿命设计理论中的应力-寿命法，以屈服应力为40-60Ksi铸钢S-N曲线、有限元计算应力为依据，根据线性累积损伤法则进行侧架的疲劳分析。

二、 疲劳分析流程

2.1疲劳试验

     依据TB/T1959-2006《铁道货车摇枕、侧架静载荷及疲劳试验》规定，侧架疲劳试验的安装示意图见图2，疲劳试验加载波形图见图3，用计算机控制的液力加载系统进行试验加载[4]。

图2 侧架疲劳试验安装和加载示意图

 图3 侧架疲劳试验加载波形图

2.2  TB/T 3549.2评定标准

     根据TB/T 3549.2-2021《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 转向架第 2 部分：三大件式转向架》，疲劳试验载荷与考核标准如表1所示。

表1疲劳载荷工况与考核标准

*注：该载荷作用位置为侧架中心向轨道中心偏移990.5mm处，加载时可按计算得出的力矩加载（0.20C×990.5）

     另外，TB/T 3549.2规定，侧架疲劳试验按照1.5×105次数加载完成后，其中转K5、转K6、转K7型转向架侧架应增加载荷40%，循环次数增加5万次进行试验，且不发生危险裂纹[5]。

2.3  nCode疲劳分析流程

     疲劳分析流程如图4所示，首先对侧架进行疲劳载荷工况计算，计算完成后输出对应的结果文件。打开nCode软件对侧架进行侧架疲劳评估，将有限元文件和结果文件导入，然后将每个疲劳载荷工况与相应疲劳载荷循环数据对应，然后选择S-N曲线参数，设置完成后对侧架进行疲劳寿命计算，即可得到侧架全节点疲劳寿命。

图4 疲劳分析流程

三、 疲劳计算结果

3.1疲劳计算公式计算

     取某转向架侧架7个重点关注位置，根据标准中B+钢的S-N曲线，可以求出循环次数N，继而得出损伤值。有限元分析结果汇总见附表2。根据附表2计算得到应力变化范围，并由此评估得到疲劳试验次数见表3。

表2 有限元分析结果汇总表    单位：MPa

表3 疲劳损伤评估表

3.2 nCode软件计算结果

     将有限元计算结果导入nCode软件，选择S-N曲线及对应的载荷谱，疲劳分析流程如图5所示。

图5  nCode软件疲劳分析流程

     侧架疲劳计算结果查看是损伤值如图6，为了在软件中清楚的显示整个侧架的疲劳寿命分布情况，将大于0.001损伤值进行显示，可以看出损伤最大的是0.855，发生在A部弯角，承台弯角位置损伤为0.252，侧壁孔边缘损伤值为0.059，侧架损伤值都小于1，侧架寿命满足要求。

图6 侧架的损伤值

3.3 结果对比

     采用nCode软件，计算上述侧架的全节点疲劳，并与AAR公式计算结果进行对比，对比表见表4。从对比表中可以看到，结果基本一致。

表4 疲劳损伤对比表

四、 结论

     利用有限元法对侧架模型进行疲劳载荷工况计算，传统的构架寿命评估方式是根据计算结果找到侧架在各个疲劳载荷工况的薄弱位置，对这些位置根据S-N曲线进行寿命计算。而采用nCode软件，无需寻找各个工况的薄弱点，直接导入软件中，选择对应的S-N曲线和载荷谱，即可以输出整个侧架的全节点疲劳寿命。传统的手动选择可能会漏掉寿命高的点，导致疲劳寿命结果差异性大，采用nCode软件避免了因人为因素选择评估点造成的寿命分析误差，可实现效率高、精度高和寿命结果一致等优点，且尤其对于规模大及疲劳工况多的部件，nCode软件可大幅度提升疲劳寿命分析的效率，缩短结构设计周期。

参考文献

1. 张鹏.30t轴重货车转向架摇枕的疲劳寿命估算及断裂安全性评价.北京交通大学硕士学位论文.2009

2. 宋瑞兰.转K6型转向架侧架疲劳可靠性研究.北京交通大学硕士学位论文.2014.6

3. 商跃进．有限元理论与ANSYS应用指南[M]．北京：清华大学出版社．2005．

4. 铁道部.TB/T 1959-2006铁道货车摇枕、侧架静载荷及疲劳试验.2006-07-01实施.

5. 国家铁路局.TB/T 3549.2-2021机车车辆强度设计及试验鉴定规范 转向架第2部分：三大件式转向架.2022-06-01实施.