基于有限元技术的构件疲劳寿命计算

书书书 第!"卷第!期 铁!!道!!学!!报 #$%&!"!’$&! !(()年)月 *+,-’./+0123425’.-.5/6.78+45317 .9:;% !(() 文章编号!<((<=>?"(!!(()"(!=(()@=(A 基于有限元技术的构件疲劳寿命计算 刘德刚))# ?&齐齐哈尔铁路车辆!集团"有限公司 技术中心 黑龙江 齐齐哈尔<"<((!" 摘!要!以转>.型转向架侧架为例$介绍了有限元技术应用于构件疲劳寿命分析的过程%按照&准静态’将 有限元分析得到的静态应力与实测的载荷时间历程相结合得到模型上各点应力时间历程$结合BC!?(=)A(材料 的!"# 关系进行了结构整体的疲劳寿命计算%有限元分析软件是5=D3.8$疲劳寿命分析软件是03=0.15C,3% 关键词!准静态法#有限元技术#!"# 法 中图分类号!,!@(&!!!文献标识码!. !"#$%&’($)’*+",-.$./)"0/12/+’+#3".’4 /+#5’!$+$#’6,’1’+#.7’85+/,/%- /5,DE=FGHF<$!2+, 6E;=I;HF!$!6.’C0EHF=JK$L<$!8+’CCL$=MEH<$!7.’C.;=FL$? !<&1ENKH$%$FO-EPEG:NK8ENQ;$H$8;RGHF-$%%;HF8Q$NS-EPEG:NK5HPQ;QLQE$T;HFUG$!""(?<$4K;HG# !&2;FK89EEU-G;%MGOVL:EGL$W;H;PQ:O$R-G;%MGOP$VE;X;HF<((>))$4K;HG# ?&1ENKH$%$FO4EHQE:$T;Y;KGE:4’--G;%MGO-$%%;HF8Q$NS!C:$L9"4$&$/QU&$T;Y;KGE:<"<((!$4K;HG" *9.#:"8#(,P;HFQKEP;UER:GZE$RQKEB>.[$F;EGPGHEIGZ9%E$QK;P9G9E:;HQ:$ULNEPQKE9:$NEPP$RRGQ;FLE%;RE GHG%OP;P$RGN$Z9$HEHQ[GPEU$HQKER;H;QEE%EZEHQPQENKH$%$FO&5HGNN$:UGHNEM;QKQKEYLGP;PQGQ;NZEQK$U$QKE PQ:EPPK;PQ$:;EP$RU;RRE:EHQ9$;HQP$RQKEZ$UE%G:EUE:;\EU[ON$Z[;H;HFQKEPQGQ;NPQ:EPPEPGHUQKEZEGPL:EU %$GUK;PQ$:;EP&1KERGQ;FLE%;RE$RQKEMK$%EN$Z9$HEHQ;PNG%NL%GQEU;HN$Z[;HGQ;$HM;QKQKE!"#:E%GQ;$HP$R QKEBC!?(=)A(ZGQE:;G%&1KER;H;QEE%EZEHQPGHG%OP;PP$RQMG:E;P5=D3.8$QKERGQ;FLEGHG%OP;PP$RQMG:E;P03= 0.15C,3& ;’-.型转向架$ 在运用过程中经常发生裂纹甚至断裂%本文以该型转 向架的侧架为例进行了疲劳寿命分析计算% 使用5=D3.8软件对侧架进行三维实体建模和有 限元静应力分析$得出在规定载荷作用下侧架上各个 部位的静应力$然后采用&准静态’法将静态应力和实 测的载荷时间历程相结合$获得包含应力幅值和均值 收稿日期!!((?=(<=<("修回日期!!((?=(]=!" 作者简介!刘德刚!<]@!*"$男$山东陵县人$师$硕士% 6=1"$,(RGQ;FLE!EO$L&N$Z 信息的应力时间历程$最后使用03=0.15C,3软件 的名义应力法!!"# 法"寿命分析模块分析其疲劳寿 命% >!静态线性有限元分析 作为无限寿命设计的侧架$在实际运用中发生的 应力不应超过材料的屈服极限$以往的试验和计算分 析也都证实了这一点%所以$只进行线弹性有限元分 析% >&>!4.D模型和有限元模型 在生产中$各个厂家不可避免地要对运用中发生 问的部位进行局部修改$所以$侧架的几何形状多种 多样%这里$选用一种典型几何形状为例进行分析% 根据几何形状和载荷的对称性$取侧架的一半进万方数据 行分析!采用<(节点高阶等参"次参四面体单元划分 有限元网格#半个侧架划分为])&@S’!横 向载荷取为@)&?S’!分别作用在承簧台与枕簧的接 触面上和立柱面上#垂向载荷作用时!在对称面上加 对称约束!约束刚性单元下节点的垂向线位移&横向载 荷作用时!同样在对称面上加对称约束!约束内侧导框 面的横向线位移# 侧架材质为BC!?(=)A(!根据规范$<%!其弹性模量 取<&@!3AW^ G!泊松比取(&!]# >&?!有限元分析结果 有限元分析直接给出的是节点或单元上的"个应 力分量!还可以给出?个主应力及当量应力#用何种 应力进行疲劳寿命分析所得到的结果是不同的#本文 的计算采用绝对值最大主应力#所谓绝对值最大主应 力是指构件上某一点?个主应力中绝对值最大者!根 据各时刻该点的绝对值最大主应力组成的应力时间历 程!获得疲劳寿命分析的应力幅值’应力均值# <列出了侧架上疲劳损伤量最大的前A个节点 在垂向和横向载荷单独作用下绝对值最大的主应力! 其中!$<表示制动梁滑槽侧的弹簧承台拐角部位&$! 表示三角透视孔下边缘&$?表示无滑槽侧的弹簧承台 拐角&$)表示承载鞍导框内弯角&$A表示导框上部的 圆孔边# 表? <@"(>! $! <)]%!> )"%A> <><>@? $? <)>%@A !]%(! <]""A@ $) ?@ $A _%)< _"]%?] ?!材料的!"# 曲线及侧架!"# 曲线的获得 材料 的 应 力"寿 命 曲 线 (!"# 曲 线)一 般 用 VGPYL;H公式来描述# <]]<年!四方车辆研究所委托中国科学院沈阳金 属研究所进行了BC!?(=)A(小试样疲劳试验!试样尺 寸为直径@%A!ZZ‘长<"AZZ!表面为精加工!加载 频率为A(((:"Z;H!应力比为_<#给出了存活概率 为]Aa’置信度为]Aa的!"# 曲线方程 %F#]A &?)%((’<<%@)%F! (<) !!侧架的!"# 曲线!可由材料的!"# 曲线经过疲劳 强度降低系数() 的调整来得到#在双对数坐标系中 的VGPYL;H关系式表示为一条直线!可以根据两个点 的坐标值来确定这条直线!第一点的横坐标是 <(?NON&’纵坐标是BC!?(=)A(在该点的循环应力幅& 第二点的横坐标是<("NON&!纵坐标是构件在<("NON& 循环处的条件疲劳极限!这个疲劳极限是将材料在 <(@NON&循环处的条件疲劳极限除以疲劳强度降低系 数() 得到的# 文献$!%认为!一般机械构件的疲劳强度降低系数 () 由下式得到 () & (! "*# (!) 式中!(!为有效应力集中系数&#为尺寸系数&"为表 面加工系数# 需要指出的是!对于有限元分析模型!尺寸系数# 是指有限元模型中高应力区域的尺寸!而非整个模型 的尺寸# 有效应力集中系数由下式确定 (!& +! (%>>*,(-./ ) (?) 式中!+!为理论应力集中系数&,’/为与材料热处理 有关的常数&- 为相对应力梯度# 在三维4.D模型基础上建立有限元模型!得到 的侧架上应力局部解!实际上已经考虑了理论应力集 >) ! 铁!!道!!学!!报 第!"卷 万方数据 中系数+!!所以!基于有限元技术的疲劳寿命分析!在 确定疲劳强度降低系数() 时!不再考虑理论应力集 中系数的影响" 对于侧架这种铸造件的疲劳强度降低系数!北美 铁路协会认为!使用<%A(左右的疲劳强度降低系数来 计算构件的疲劳寿命!给出的结果最为可靠#?$"考虑 到我国的铸造水平与美国的差异!() 值取<%AA"该 系数主要反映了铸造材料内部的疏松%夹杂等缺陷" 侧架!"# 曲线在<(?"<(" 循环之间的部分同样 可用式 &<’表示" 根据3&2G;[GNK的 WW 法则!将!"# 曲线在大 于<(" 循环的部分按_"0"(&!_"0"’&0为VGPYL;H指 数’的斜率向下延伸!以考虑小应力幅值循环对寿命的 影响" 侧架!"# 曲线在大于<(" 循环的部分!用下式表 示 %F#]A &<@%](’A%")<%F! &)’ @!使用!准静态法"获得侧架上各点的应力"时 间历程 !!以往!计算构件的疲劳寿命使用等幅或分级程序 载荷谱!这种载荷谱是在实测的载荷时间历程的基础 上依据有关理论进行编制的"它的缺点是!当构件受 多种载荷共同作用时!存在各个载荷相位难以确定的 问题"为此!使用实测的载荷时间历程进行寿命计算! 避免了这一问题" 由构件上的载荷时间历程获得构件上各点的应力 响应!需要进行瞬态响应分析"对于侧架这种十几万 个节点的大模型来说!计算量和数据量将很大"研究 表明!作用在侧架上的载荷的频率一般在<(2J以内! 使用有限元方法对侧架进行模态分析可知!它的自振 频率都在<((2J以上"由振动理论可知!在这种情况 下!侧架上各部位响应振幅的)动力放大系数*接近于 标准