高速列车铸铝横梁疲劳特性表征的数值模拟与试验研究 | CJME论文推荐

Original 张乐乐，窦伟元等机械工程学报 2024-06-05

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引用论文

Dou, W., Zhang, L., Chang, H. et al. Fatigue Characterization on a Cast Aluminum Beam of a High-Speed Train Through Numerical Simulation and Experiments. Chin. J. Mech. Eng. 34, 108 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00628-6

研究背景及目的

铸铝横梁是我国某型高速列车体悬式牵引电机的关键承载结构，由铝合金A357-T6铸造而成，上端连接至车体，每两个铸铝横梁配合使用共同支撑牵引电机，安装于设备舱两端靠近转向架位置。该结构几何构型复杂，整体工艺缺陷情况不完全清楚，运营载荷复杂，其疲劳特性尚待研究。同时，结构设计要求铸铝横梁与车体等寿命，在线或者实验室实测结构危险位置的应力响应不易实现。

针对铸铝横梁疲劳特性，本文提出一种基于有限元数值仿真的理论应力集中系数计算方法，结合2m-1法外推的材料S-N曲线与疲劳强度降低系数表征结构疲劳特性，获得承载条件下铸铝横梁的疲劳极限。此外，根据试验标准及载荷工况设计并进行了10⁷次等幅循环加载疲劳试验，利用渗透染色法对表面潜在裂纹进行探伤，为进一步验证全尺寸结构的抗疲劳性能提供试验依据。

试验方法

针对铸铝横梁的疲劳试验，忽略重力引起的初始应力，将铸铝横梁与车体连接位置作为约束端，倒置固定于地面基座，承载牵引电机连接端支撑座作为加载位置，通过三向作动器施加载荷。

根据IEC61373标准规定的振动试验加速度和铸铝横梁实际承载，考虑超常载荷工况，对疲劳试验载荷进行设计。其中，三向动态载荷按正弦波形式同步加载，加载频率为5 Hz，试验载荷输入波形由电液伺服系统控制。

铸铝横梁外表面对称布置20个传感器测点，其中单向应变片14个，应变花6个。根据三向载荷曲线对铸铝横梁进行10⁷次等幅加载疲劳试验，并实时采集应变片数据。等幅加载疲劳试验结束后对其进行染色探伤，根据是否发现新的表面裂纹，判断初始探伤铸造缺陷处疲劳裂纹的产生及扩展。

结果

（1）在此工装及载荷条件下，铸铝横梁最大应力出现在安装座和吊装支座区域，分别为13.7 MPa和11.7 MPa，应力幅值分别为8.2 MPa和4.55 MPa，整体上各测点应力水平较低。10⁷次等幅加载疲劳试验结束后对其进行染色探伤，未发现新的表面裂纹，初始探伤铸造缺陷处未产生疲劳裂纹扩展。

（2）铸铝横梁中部腹板区域应力始终保持最低水平，与车体连接的吊装支座与电机安装座的上方区域为高应力区。在应力响应周期内，最大等效应力为34.7 MPa，位于电机安装座过渡圆弧区域；铸铝横梁中部腹板为非主要承载区，应力水平较低；铸铝横梁内部加强筋最大等效应力为10.2 MPa。

（3）文献研究表明，AlMgSi系列铸造铝合金（如A356和A357）其缺口敏感系数介于0.4~0.6之间[20,21]，该系数随着铸造缩孔数量的增加而降低，对于铸铝横梁采用的A357-T6铸造铝合金，缺口敏感系数可取0.6，计算得有效应力集中系数为1.36。

（4）基于遵循试验规律的原则，铸铝横梁结构S-N曲线在5×10⁶次前采用平移法进行外推；考虑铸造缺陷及分散系数的影响，转折点5×10⁶次后，采用斜率较高的两点法外推铸铝横梁结构S-N曲线，由此外推的10⁷次时横梁结构疲劳极限为35.4 MPa，略高于有限元仿真模型的最大等效应力，考虑各影响系数及外推时采用的2m-1法，相比等幅疲劳极限S-N曲线描述，该值偏保守。此外，疲劳试验与有限元仿真模型边界及载荷条件相同，经10⁷次循环加载铸铝横梁未产生疲劳裂纹，亦表明该结构在此工况下具有较大的安全裕度。

结论

本文提出一种基于有限元数值计算的理论应力集中系数计算方法，通过全尺寸铸铝横梁台架疲劳试验与仿真分析，由结构疲劳强度降低系数修正材料S-N曲线，表征高速列车铸铝横梁结构疲劳特性。主要结论为：

（1）基于有限元方法分析大型复杂结构理论应力集中系数时，沿给定的积分路径，通过最邻近节点插值可获得结构化网格和非结构化网格模型沿路径的应力分布，选取应力梯度趋近于0的位置作为积分截止点，对于无法获得准确截面的复杂结构可有效计算应力集中系数；此外，以应力梯度的判定方法为净截面分析，可避免计算结果偏于危险；

（2）建立了铸铝横梁有限元分析模型并通过试验进行校验，循环加载条件下最大应力位于电机支撑座过渡圆弧处；设计并进行了10⁷次铸铝横梁等幅加载疲劳试验，通过染色探伤未发现表面宏观裂纹，应变片实测数据表明铸铝横梁应力水平较低；

（3）通过本文提出的理论应力集中计算方法，结合查表及试验数据，获得电机支撑座过渡圆弧处疲劳强度降低系数为2.45；基于铸铝A357-T6材料S-N曲线和疲劳强度降低系数，采用平移法对结构疲劳特性进行表征，由此得到的铸铝横梁疲劳极限为35.4 MPa。

前景与应用

本文中所提出的应力集中系数计算方法和铸铝横梁大型复杂结构疲劳试验，可为高速列车等承载结构的疲劳寿命预测和结构优化设计提供依据和方法支撑，为进一步验证全尺寸结构的抗疲劳性能提供试验依据。

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[3] J A Bennett, J G Weinberg. Fatigue notch sensitivity of some aluminium alloys. Journal of research of the National Bureau of Standards, 1954, 52(5): 235–245.

团队带头人介绍

张乐乐博士，博士后，北京交通大学机械与电子控制工程学院教授，博士生导师；德国DFG基金会高级访问学者，瑞典皇家工学院、德国亚琛工业大学高级研究学者。科技部“轨道车辆运用工程”国家国际科技合作示范基地建设负责人，国家留学基金委2020年创新型人才国际合作项目负责人。主要研究以力学为基础的复杂结构承载分析理论与仿真技术、被动安全结构设计与评估、机械结构安全理论与工程应用等。近五年，主持国家级、省部级等项目，发表SCI/EI期刊论文三十余篇、受邀大型会议及研究领域高等级会议报告等。

作者介绍

窦伟元（本文第一作者）,男，博士，北京交通大学机械与电子控制工程学院师资博士后。2016年获国家留学基金委资助赴瑞典皇家工学院进行为期1年的联合培养，主要从事高速列车流固耦合问题中的数据传递算法、结构可靠性分析等方向。

团队研究方向

张乐乐教授带领的科研团队依托“轨道车辆运用工程国家级国际科技合作示范基地”，在国际交流合作方面取得突出的成绩。团队长期从事以力学为基础的复杂结构承载分析理论与仿真技术、被动安全结构设计与评估、机械结构安全理论与工程应用等。代表性成果如下：

（a）地铁爬车

（b）高速列车正面对撞

图1 轨道车辆碰撞仿真模拟

图2 轨道车辆被动安全研究

图3 高速列车流固耦合及数值传递算法

图4 基于极限/安定的结构优化和设计

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编辑：姚辉校对：金程

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