文章编号:167325196(2008)0420170203柔性结构疲劳寿命的预测方法董黎生,程　迪(郑州铁路职业技术学院机车车辆系,河南郑州　450052)摘要:讨论柔性构架结构疲劳寿命的预测方法,建立刚柔耦合多体动力学模型,计算结构危险点的动载荷时间历程;利用有限元准静态分析法,获得应力影响因子;利用模态分析技术获得结构固有频率和模态振型,确定结构的危险点位置。

基于危险应力分布的动载荷历程,结合材料特性曲线以及线性损伤理论,进行标准时域的柔性结构应力应变的循环计数,损伤预测和寿命估计.应用该方法对构架结构进行疲劳寿命预测,结果表明,该预测方法预测精度有效,可以有效提高结构耐久性设计质量.关键词:多体系统;柔性结构;有限元;疲劳寿命预测中图分类号:O346 文献标识码:APrediction method of fatigue life of flexible structureDON G Li2sheng,C H EN G Di(Locomotive and Rolling Stock Depart ment,Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou　450052,China)Abstract:Prediction met hod of fatigue life of flexible f ramed st ruct ure was discussed,dynamic model of rigidity2flexibility co upled multi2body was established,and time history of dynamic load at t he critical point of t he st ruct ure was comp uted.Influential factors of st resses were obtained by using t he finite element analysis met hod for quasi2static conditions.The nat ural frequency and vibration modes of t he struct ure as well as t he location of it s critical point were determined by using t he model analysis technique.Based on t he dynamic load history of critical st ress distribution and employing t he material characteristic curves and it s linear damage t heory,t he cyclic counting of stresses and st rains,damage p rediction,and life estimation of t he flexible st ruct ure were performed in standard time domain.The fatigue life prediction of t he f ramed st ruct ure was conducted wit h t his met hod and it was shown by t he result t hat t he prediction accuracy was valid and t he design quality of struct ure durability would be effectively imp roved.K ey w ords:multi2body system;flexible st ruct ure;finite element;fatigue life prediction 预测结构寿命最有效方法是通过室内工作台或线路耐久性试验获得危险点的动应力历程数据.对一些复杂结构,要在室内进行耐久性试验几乎是不可能的.而在实际线路上进行耐久性试验,耐久性试验费用昂贵,试验周期也长,受到运行路线和时间等诸多条件限制,只能在有限的线路和时段内进行构架结构危险部位的动应力测试,进而通过应力应变数据的有效采集和雨流法统计处理,最后根据相关损伤累计理论进行结构寿命估计.文献[1]中首次在国内外提出通过动力学仿真及有限元分析混合技术手段进行车体结构疲劳寿命 收稿日期:2008202229 作者简介:董黎生(19622),男,山西万荣人,副教授.的评估.就机车车辆而言,在运行过程中反复承受随机轨道不平顺传递的持续小幅振动载荷、过曲线、过道岔以及启动制动时的冲击等复合载荷的作用,导致结构关键部位,如关键位置处的焊接接头以及焊接区域局部应力集中发生,从而导致裂纹萌生和扩展等结构疲劳现象的发生.针对这些疲劳问题,现场一般采用设置局部加强筋、开设止裂板等措施来提高其局部静强度和分化应力集中导致的影响.但是这些措施并没有从整车系统动态特性的角度考虑问题,因此可能再次导致结构刚度的分布不均,从而使得结构其他部位再次出现新的疲劳问题.在文献[1～8]的基础上,本文提出一种柔性结构疲劳寿命的预测方法,对机车车体结构进行寿命预测.第34卷第4期2008年8月兰　州　理　工　大　学　学　报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.34No.4Aug.20081　柔性结构疲劳寿命的预测方法分析结构疲劳强度时,获得准确的结构动应力历程是重要的前提条件之一,且要求较为准确的确定结构危险区域的高应力节点.如果能通过构架结构实际线路运行时的动应力试验结果,对预测其疲劳寿命是非常有效的.本文通过建立整车系统的多体动力学模型,获得其危险节点的应力分布,并将用来进行疲劳寿命评估.结合文献[1]中提出的多体有限元法技术,本文提出预测柔性结构疲劳的基本流程图如图1所示.图1　柔性构架结构疲劳仿真方法Fig.1　F atigue simulation method of flexible framedstructure具体计算步骤可以表示为[2,3]:1)根据构架受力分析确定构架结构载荷历程.进行构架结构的模态分析和对应载荷历程的准静态应力影响因子的计算;建立详细的构架有限元模型,确定构架结构受力状况.2)通过动力学仿真获得作用在构架结构上的随机动载荷历程,并考虑构架结构是弹性的;3)获得构架材料的S 2N 曲线;4)将多体动力学仿真对应的载荷历程和准静态应力相互叠加计算,获得结构的动应力历程,并进行雨流法统计处理;5)根据相关累计损伤和修正理论,进行构架结构危险部位的损伤累计和最终结构疲劳寿命的预测.2　柔性构架结构疲劳寿命的预测2.1　多体动力学建模在大型结构的多体动力学分析中,一般很少考虑结构柔性.随着计算机技术的发展,目前已经可以在多体模型中直接考虑构架结构为柔性的影响.本文采用多体动力学分析软件SIM PAC K 进行机车整车系统的多体动力学建模和仿真.图2表示将构架结构考虑为柔性的刚柔混合机车整车多体模型.图2　机车多体动力学模型Fig.2　Multi 2body dynamic model of locomotive2.2　构架动应力分析时域上有两种方法可以计算复杂结构的动应力时间历程信息:准静态应力法和瞬态分析法.频域上构架结构的动应力/应变的计算也包括两种方法:谐应力分析法和随机振动应力分析法.这里主要阐述一种获得构架结构动应力的典型方法[4～6],即结合多刚体动力学仿真的准静态应力法将整个系统部件作为多刚体动力学建模.从多刚体动力学仿真中,获得关键位置,如牵引座、垂向减震器,横向减震器等铰接处的动载荷历程(包括结构支反力、加速度、角速度和角加速度的载荷历程等).将单位载荷取代结构外载荷,同方向、同位置施加在结构部件对应的有限元模型节点位置上.分析后获得危险节点位置对应的各载荷分量的结构应力影响因子SIC (stress influence coeffi 2cient s ).然后将该应力影响因子和动载荷历程相乘叠加求和,可以获得结构危险位置的动应力历程.本文主要利用有限元分析软件ANS YS ,创建构架的有限元模型,利用子结构分析技术缩减构架模型的规模,以及模态分析技术分别获得结构的子结构模型和结构的固有频率和振型,图3表示构架一阶扭转模态及其模态影响因子(25.514Hz ).图3　构架一阶扭转模态及其模态影响因子(25.514H z)Fig.3　First 2order torsion mode and mod al influence fac 2tor (25.514H z)of framed structure・171・第4期 董黎生等:柔性结构疲劳寿命的预测方法 2.3　构架建模及疲劳寿命仿真应用整车的多体动力学模型进行动力学仿真,结合有限元分析手段,结构随机振动和疲劳累积损伤基本理论,在计算机虚拟开发环境中完成复杂结构的疲劳寿命预测.构架有限元模型如图4所示.图4　某型机车构架有限元模型Fig.4　FEM model of locomotive bogie frame在机车整车动力学仿真中对柔性构架建模,主要目的就是考虑在机车整车多体动力学仿真中柔性构架的影响,了解柔性构架特征模态和频响模态,然后通过输入轨道随机不平顺的激励谱,使得构架在运行中和其他部件相互耦合和作用,从而有效计算出构架结构动态特性及其动态特性响应结果.限于篇幅,本文只讨论柔性多体动力学以及SIM PAC K 中弹性体的部分处理方法.柔性多体动力学主要是考虑结构柔性影响,即研究物体的变形和整体运动之间的相互耦合,以及因为耦合导致的动力学特性.单个柔性体的运动方程可以表示为[6]d d t 5T 5qT-5T 5q T +5U 5q T +J T λ=Q (1)其中,T 、q 、U 、J 、λ和Q 分别为柔性体的动能、广义坐标集、应变能、运动约束的J acobian 矩阵、La 2grange 乘子向量、广义力向量.针对大型构架结构寿命长的特点,采用结构安全因子寿命分析技术.获得危险节点45119的应力时间历程及构架结构局部疲劳寿命仿真结果,具体如图5、6所示.图5　构架结构危险节点的动应力历程Fig.5　Dynamic stress history of critical node in framedstructure图6　构架结构局部疲劳仿真结果Fig.6　Simulation result of local fatigue of framed structure3　结论和讨论本文采用刚柔耦合机车整车多体模型进行多体动力学仿真,结合有限元分析技术处理构架有限元模型,根据结构疲劳寿命损伤和累计理论进行寿命仿真研究.1)构架结构的疲劳损伤主要发生在低频区域范围内,集中损伤的范围主要产生于构架结构一系悬挂的连接处 构架端梁和横梁连接处,这些和实际该车动应力试验时,发生较大动应力危险区域基本一致.2)当构架振动频率在25Hz 以上区域时,由结构振动影响产生损伤较大.预测大型结构疲劳寿命是一项任务繁重的系统工程.这种方法可以引入到新产品结构设计的不同阶段和区域,缩短产品的开发周期和昂贵的耐久性试验费用,且可以有效提高结构耐久性设计质量,是今后有效预测大型结构的疲劳寿命的重点研究方向之一.参考文献:[1]　缪炳荣.基于多体动力学和有限元法的机车构架结构疲劳仿真研究[D ].成都:西南交通大学,2006.[2]　SRID HAR S ,SH EKAR Y ,HAMID K.Durability design proc 2ess for truck body st ructures [J ].International Journal of Ve 2hicle Design ,2000,23:942108.[3]　王海霞,汤文成,钟秉林,等.客车车身骨架动应力研究的现状与未来[J ].应用力学学报,2001(3):8213.[4]　任卫群.车路系统动力学中的虚拟样机:MSC.ADAMS 软件应用实践[M ].北京:电子工业出版社,2005.[5]　MEDEPALL I S ,RAO R.Prediction of roadloads for fatiguedesign ,a sensitivity study [J ].International Journal of Vehicle Design ,2000,23:1612175.[6]　KIM H S ,YIM H J ,KIM C putational durability pre 2diction of body structure in prototype vehicles [J ].Internation 2al Journal of Automotive Technology ,2002,23(1):1292135.[7]　蔡成标,翟婉明,赵铁军,等.列车通过路桥过渡段时的动力作用研究[J ].交通运输工程学报,2001(1):17219.[8]　王开云,刘建新,翟婉明,等.铁路行车安全及舒适性仿真[J ].交通运输工程学报,2006(3):9212.・271・ 兰州理工大学学报 第34卷。