轨道车辆刚柔耦合振动疲劳分析评估方法.pdf

第45卷第11期2023年11月铁道学报JOURNALOFTHECHINARAILWAY SOCIETYVol.45No.11November2023文章编号：10 0 1-8 36 0(2 0 2 3)11-0 0 53-0 8轨道车辆刚柔耦合振动疲劳分析评估方法靳世英，朴思扬，聂春戈，王辉，朴明伟，李向伟（1.大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116 0 2 8；2.大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连3.中车齐齐哈尔车辆有限责任公司大连研发中心，辽宁大连116 0 45）摘要：轻量化车体具有线弹振动属性，但是其响应特性则要真实地反映轮轨接触与转向架悬挂两大非线性影响。轨道车辆刚柔耦合关系会因复杂约束奇异性而变得难以确定，使既有振动疲劳评估方法丧失了应用前提。利用刚柔耦合仿真技术，在多轴激励下构建一种基于动态质量阵的刚柔耦合关系，使柔性车体动态响应特性更加真实地反映相关非线性影响，实现与董氏结构应力恢复及焊缝疲劳损伤评估方法之间的无缝对接操作。应用这一新方法，某运煤车刚柔耦合仿真分析表明：在特定的直线扭曲激励输入下，车体摇晃迫使约6.10 Hz空车扭曲模态产生耦合共振，使钩缓冲击座附近焊缝最短寿命降低至30 余万km。相应的下边去除修复方案也仅使最短疲劳寿命延长至50 余万km。关键词：轨道车辆；刚柔耦合系统；轻量化车体；振动疲劳；耦合共振中图分类号：U270文献标志码：AAnalysis and Assessment Method on Rigid-Flex CouplingVibration Fatigue for Rail VehiclesJIN Shiying,PIAO Siyang,NIE Chunge,WANG Hui,PIAO Mingwei,LI Xiangwei?(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.College of Locomotive and Rolling Stock Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;3.Dalian R&D Center,CRRC Qiqihar Rolling Stock Co.,Ltd.,Dalian 116045,China)Abstract:Despite the characteristics of linear elastic vibration of lightweight carbodies,their responding features shouldtruly reflect the two important nonlinear influences of wheel-rail contact and bogie suspension.The rigid-flex coupling re-lationship of rail vehicles will become difficult to determine due to the singularity of complex constraints,causing the ex-isting vibration fatigue assessment methods to lose their application preconditions.By using the rigid-flex coupling simu-lation technique,a rigid-flex coupling relationship was proposed based on the dynamical mass matrix under the multi-axis excitation,so that the dynamic response characteristics of the flexible carbody can more truly reflect the relevantnonlinear influences,and realize the seamless collaborative operations with Dong s structural stress recovery method forfatigue damage assessments of critical weldlines.With application of this new method,the rigid-flex coupling simulationanalysis of a coal gondola car shows that under the track-twist excitation inputs on some specific tangent lines,the swa-ying of empty carbodies causes the torsion mode to produce ca.6.10 Hz coupling resonance which reduces the shortestlife of critical weldline near the coupler and buffer box to 30 x10*km or more.Accordingly,the repair scheme of remo-ving bottom edge only prolongs the shortest fatigue life to 50 x10*km or more.Key words:rail vehicles;rigid-flex coupling system;lightweight carbody;vibration fatigue;coupling resonance收稿日期：2 0 2 1-11-2 9；修回日期：2 0 2 2-0 5-31基金项目：国家重点研发计划（2 0 2 0 YFB1200200ZL-02）；国家高速列车技术创新中心研发计划（CXKY-02-01-02（2 0 2 0）第一作者：靳世英（1995一）男，河北保定人，博士研究生。E-mail:通信作者：朴思扬（1992 一），男，辽宁鞍山人，讲师，博士。E-mail:siyang_piao 116028;doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2023.11.007随着铁路运输的快速发展，振动疲劳已经成为轻量化车体设计的技术瓶颈之一。为了克服或避免目前既有方法的局限性及其对工程问题解决可能造成的误导误判，有必要结合具体案例来积极推介刚柔耦合振动疲劳损伤分析评估的新方法，进而在系统设计层面54上消除并解除耦合共振及其发生条件，使关键部件满足可靠载荷谱制备的技术条件。应用研究必须恪守其科学严谨的基本原则。根据摇枕悬挂的重载卡滞现象及其影响，文献2 利用刚柔耦合仿真及协同分析的软件，给出了与工程实际情况相吻合的振动疲劳影响分析结果。目前来看，这一研究成果突破了既有方法的局限性3-5。尽管如此，当前轨道车辆运维实践相关问题的解决6-91仍然不可忽视既有方法的局限性及其应用前提。作为刚柔耦合仿真技术的一项重要延伸部分，振动疲劳损伤分析评估应该尽早明确如下3大技术关系：载荷激励与位移/加速度响应之间的刚柔耦合关系；模态应力恢复（ModalStressRecovery，M SR）时域样本的功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）与应力循环载荷幅频统计的概率密度函数（PossibilityDensity Function，PD F）之间的频谱转换关系；基于结构应力主S-N曲线的疲劳损伤与寿命关系10-11因此，相关约束内力不可直接作为轨道车辆关键部件的载荷谱，进而按照准静态加载方式或模态叠加法进行加载。与一般道路车辆或建筑钢结构的情况不同，铁路车辆系统均存在一种十分特殊的刚柔耦合关系12-14。如车体摇晃，整备车体运动动能与轻量化车体变形势能之间存在某种程度的转换或转变关系。如同打乒乓球一样，相关约束内力的绝大部分用于驱使整备车体产生运动动能，而仅有剩余的部分才会迫使轻量化车体形成包括准静态与动态两种成份的变形势能。为了实现与董氏结构应力恢复及焊缝疲劳损伤评估方法之间的无缝对接操作，柔性体对多体系统（M u l t i-Bo d y Sy s t e m，M BS）的接口处理对策应该凭借基于子结构交界面载荷类型处理的有限元模型修正或更新技术加以进一步改进。取代准静态加载法或模态叠加法1-16 ，轨道车辆刚柔耦合仿真技术应用柔性车体接口处理的改进对策就能够构建合理的刚柔耦合关系。结合目前高铁车辆发生的抖车现象，文献17 已经论证并解除了转向架振动报警与抖车现象之间的因果关系，使自适应高速转向架改进设计能够在合理的轮轨匹配条件下科学提升极限与构造速度。结合相关科研工作，本研究首先简要讨论轨道车辆系统动力学及其行为特殊性，然后针对基于动态质量阵的刚柔耦合关系，提出一种刚柔耦合振动疲劳损伤分析评估的新方法，最后给出某运煤车空车回送所发生的振动疲劳典型案例。1轨道车辆系统动力学及其行为特殊性振动疲劳具有双重力学属性，即相关约束内力的铁道学报非线性变化及其对柔性体的线弹振动行为影响。结合轨道车辆的特殊性，本研究主张在系统设计层面上消除或解除耦合共振及其发生条件。从分析力学的研究观点出发，轨道车辆系统动力学属于非光滑一类非线性问题【12 。对于这类非线性问题及其可能存在的复杂约束奇异性，文献【13-14 提出了一种改进的广义增广法，以独立的广义变量和虚拟的增广变量之间的巧妙组合来迅速捕捉最小阻力的摄动方向，进而形成了预见一校正一评估3阶段可变步长积分算法。以Newmark二阶差分取代Newton一阶差分技术，缩小了Jacobian矩阵规模并降低了其病态发生概率，大型复杂刚柔耦合系统得以在较好的硬软件条件下开展仿真工作。尽管如此，上述可变步长积分算法仍然存在繁杂与效率低等缺陷。为此，铁路车辆运维实践应该积极推介动态设计方法，包括整车稳定性态分析图、柔性体对MBS的接口处理技术对策以及复杂约束内力精准分析3项关键技术手段，以便更好地兼顾如下3个主要的行为特殊性：复杂约束因奇异性变化而造成的影响；整备车体对不确定轨道激励输人而产生的随机振动响应；基于动态刚度质量阵的刚柔耦合关系。整备车体以轻量化车体作为子结构，可以证明，其存在基于动态质量阵的刚柔耦合关系，且在某一特定的路段上具有发生耦合共振的可能性。考虑到既有频域法的应用前提，如Dirlik方法或双模态法5，无法同时兼顾宽带与窄带响应特征。为此，本研究要探索一种新方法。2基于动态质量阵的刚柔耦合关系对于N个DoF的线弹系统，P为视解决问题需要所截取的固有模态数，Q为约束模态数，其与交界面所定义的约束DoF一一对应，分别用下标i和o表示，且N=Q+P。根据子结构交界面位移动凝聚处理技术18-2 0 1，第h阶模态振动的位移响应幅值，为1II=2+215.%-1k=1,2,.,P+Q式中：、分别为第阶模态的阻尼比、固有频率；为交界面的激励频率；在多轴激励下，H、L、X,分别为第k阶模态的频响函数、参与因子向量、等效激励向量。由刚柔耦合仿真可以获得第k阶模态坐标的时域响应n=II,ei。由此，在有限元软件环境中可以开展基于节点力第45卷LX=H,L,X(1)第11期与位移的模态应力恢复MSR，如关键节点的vonMises应力或沿焊线节点的结构应力等。在交界面的载荷激励与位移和加速度响应之间亦可构建合理的刚柔耦合关系，即K.X+H,Mx,+M.X,=F.(2)P靳世英等：轨道车辆刚柔耦合振动疲劳分析评估方法55在特定的响应面方向上，动态质量a是基于第k阶模态频响函数H，的有效质量加权线性组合，即ma=t:(H,Mm)1,mT（3）只有满足时，相应的固有模态有效质量=1M才会成为其主导成份，即所谓的局部高频参振式中：LL，为系统第k阶固有模态的有效质量矩阵，记为M；M。为Guyan质量矩阵；K为子结构交界面位移凝聚后的刚度矩阵；F。为约束模态Q的等效激励；X。为约束模态下的位移幅值向量。在特定的响应面方向上，刚体运动质量m=Ml.，l.为方向矢量。上述交界面的载荷激励为f。=F。e i o，相应约束模态Q的等效激励为L。X。=F。所截取固有模态P的等效激励为L,X,，其中，L,为多轴激励下第i阶固有模态参与因子向量。因此，以约束模态作为增广变量来构成式（1）所示的所有模态频响函数。柔性体接口处理的改进对策在子结构的交界面上，利用诸如主从节点关系、约束DoFs以及约束刚度或阻尼等要素重组或重构来改变强弱耦合载荷类型，进而形成了有限元模型FEM的修正或更新技术为了开拓轻量化结构稳健设计2 1 的新研究领域，本研究制订了如下研究方案：利用子结构交界面的诸多要素重组或重构，如主从节点关系（R BE2/3单元）、约束DoFs数以及相关约束刚度与阻尼等，有限元模型得以修正或更新；凭借柔性体接口处理改进对策的灵活性，使子结构交界面的耦合程度逼近实际情况；应用预见一校正一评估3阶段可变步长积分算法，确保复杂约束内力的精准分析结果，将疲劳损伤纳人轻量化车体优化设计质量。就约束模态来讲，其有效质量很小，它们仅形成交界面的准静态变形。可以证明，约束DoF数目越多，交界面耦合程度越强，相应的应变能也越大。3刚柔耦合振动疲劳损伤分析评估新方法根据基于动态质量矩阵的刚柔耦合振动疲劳分析评估流程见图1。本研究提出一种刚柔耦合振动疲劳损伤分析评估的新方法，其具有如下3个技术要素，即柔性体接口处理改进对策，包括运动与弹性模态两个子集的刚柔耦合系统模态分析以及基于动态质量矩阵的刚柔耦合关系。轨道车辆刚柔耦合振动疲劳分析评估方法根据耦合共振3大判定条件，即激扰源、传递媒介以及共振条件，利用利用子结构动凝聚处理技时域样本统计特征及其频响特征的术，构建刚柔耦合仿真模型互补分析工具，立足于耦合共振形成机制来科学制订并验证减振对策凭借基于轮轨接触单一曲率的线性等效单元，开展刚柔耦合系统模态分析（包括运动与弹性两个模态子集）N是否一致？Y在正确预载及准静态变形下，以Newmark二阶差分取代Newton一阶差分技术，预见-校正-评估3阶段可变步长积分算法能够实现复杂约束内力的精细化分析利用基于节点位移与力的模态应力恢复技术，绘制弹性变形、动应力云图，以便研判危险焊缝或危险区域图1轨道车辆刚柔耦合振动疲劳分析评估流程按照相关标准规范，开展低周疲劳寿命验证工作整车台架振动模态测试分析结果是否转变为振动疲劳间题？无缝对接操作董氏结构应力恢复及模态等效激励义。焊缝疲劳损伤评估的约束条件当中；应用时域样本统计特征及其频响特征的互补分析工具，制订并验证立足于耦合共振形成机制分析的减振对策及其技术效果；进而使工程问题尽可能满足平稳性与历遍性两项基本条件，更好地发挥诸如Dirlik等频谱转换方法的技术优势，如关键部件耐久性台架加速试验以及可靠载荷谱编制等。结合快捷与重载铁路运输需求，积极推介上述新方法，为轻量化车体设计合理挖掘技术空间。Y仍属于低周疲劳损伤问题N564典型案例4.1集某运煤车空车回送振动疲劳问题以某运煤车的钩缓冲击座附近开裂及其修复方案为一个典型案例，有必要利用刚柔耦合振动疲劳损伤分析评估新方法，以科学严谨的态度来明确疲劳损伤性质进而研判现有修复方案的可行性。3种类型货车空车时车体扭曲模态对比见图2。某运煤车空车扭曲模态与钩缓冲击座附近开裂相关性见图3。由图2、图3可知，空车刚柔耦合系统铁道学报模态分析表明：某运煤车扭曲模态频率仅有6.10Hz，阻尼比10.9 6%；而矿石车的扭曲模态频率11.33Hz，阻尼比10.41%；不锈钢漏斗车、铝合金漏斗车的模态频率分别为10.54、8.9 1Hz，阻尼比分别为6.8 4%、6.97%。相应地，现场发现某运煤敞车的钩缓冲击座附近开裂并施行了下边去除修复方案。结合某运煤车的运维特点，钩缓冲击座附近开裂原因有如下两种不同的分析观点：因翻车机卸煤作业所造成的低周疲劳损伤；或因车体扭曲模态频率低所形成的振动疲劳损伤。第45卷（a）矿石车（b）不锈钢漏斗车图2 3种类型货车空车时车体扭曲模态对比（c）铝合金漏斗车（a）运煤散车扭曲模态图3某运煤车空车扭曲模态与钩缓冲击座附近开裂相关性4.2刚柔耦合振动疲劳损伤分析评估4.2.1仿真条件及工况根据美国AARM1001200722】规定，以运煤车空车作为研究对象，钢轨定尺2 5m直线扭曲峰值（最大沉降幅值）2 A=10、15、2 0 m m、A A R 5级谱以及两者叠加谱三类轨道不平顺激励输人方案见图4。车速为8 0 130 km/h时，刚柔耦合仿真工况见表1。左右轨直线扭曲交错扰动，相位差18 0，以便迫使车体摇晃，频率1 2 Hz，摇枕倾覆相位滞后使前位最大旁承力远大于后位的。4.2.2钩缓冲击座附近危险焊缝研判及其疲劳损伤评估在直线扭曲峰值2 0 mm与美国AAR5级谱两者叠加激励下，某运煤车空车运行车速12 0 km/h，局部高应力变化发生在钩缓冲击座附近，见图5（a）。定义危险焊缝，其中，3452 7 号节点位于端墙下部折弯处，见图5(b）。图5(c)为关键节点3452 7 动应力时域样本，图5(d)为关键节点3452 7 动应力15 30 s的频响特征，该（b）钩缓冲击座附近开裂节点vonMises应力呈现脉冲载荷类型，其频响特征分析表明：车体摇晃迫使车扭曲模态产生共振。根据基于模态结构应力主S-N曲线的焊缝疲劳寿命评估方法及技术规范1-12 ,刚柔耦合仿真分析评估结果见图6，表明上述危险焊缝的最短寿命仅为30 余万km，且具有如下影响规律：1)在车速8 0 130 km/h运行下，根据图6（a）与图6（b），直线扭曲峰值2 0 mm所得到的疲劳寿命要较美国AAR5级谱的降低两个数量级，即10-因为后者无明显的车体摇晃现象。2)根据图6(b）和图6（c），运行车速与直线扭曲峰值两者均成为影响疲劳寿命的次要因素，在直线扭曲段通过时最大旁承力迫使空车扭曲模态发生共振，约5.32 Hz,见图5(d)。3)根据图6(c)和图6(d）,前位的危险焊线呈现对称的疲劳寿命分布规律,而后位的则失去了对称性,其主要原因在于车体摇晃惯性作用，前位最大旁承力远大于后位的。（c）下边去除修复方案第11期图4直线扭曲与美国AAR5级谱及其叠加谱表1轨道不平顺激扰仿真工况速度/(km.h-)直线行程2 km轨道激扰方案AAR5级谱，直线扭曲峰值2 0 mm，A A R 5级谱与80直线扭曲峰值2 0 mm叠加谱AAR5级谱，直线扭曲峰值2 0 mm，A A R 5级谱与100直线扭曲峰值2 0 mm叠加谱AAR5级谱，直线扭曲峰值2 0 mm，A A R 5级谱与120直线扭曲峰值10.15.2 0 mm叠加谱130AAR5级谱与直线扭曲峰值2 0 mm叠加谱von Mises应力/MPa85.7577.1868.6160.0351.4542.8834.3125.7317.158.580上边中点转角转角折弯车底内侧方向B34527节点（B向视图）车底外侧方向A34527折弯（b）钩缓冲击座附近危险焊缝及关键节点3452 7靳世英等：轨道车辆刚柔耦合振动疲劳分析评估方法00.0050.0100.0150.020400500:60070080090010001100轨道长度/m（a）左钢轨定尺2 5m直线扭曲峰值2 0 mm不平顺相位差18 0 00.0050.0100.0150.02040050060070080090010001100轨道长度/m（b）右钢轨定尺2 5m直线扭曲峰值2 0 mm不平顺0.01000.00500.0058:019.01500.020.0250.0300400800120016002000轨道长度/m（c）叠加谱不平顺0.0190:00300:00元0.0.010.813.8200.025500600700.8009001000轨道长度/m（d）叠加谱不平顺局部放大图（a）钩缓冲击座附近高应力变化574030201003020车体侧滚模态2.66Hz10M0图5基于vonMises应力的钩缓冲击座附近危险焊缝研判1012浙弯101(a)在美国AAR5级谱下车速对前位焊缝疲劳寿命影响10121011101010910810710610s104折弯1031021013579111315 17192123节点次序(b)在直线扭曲峰值2 0 mm下车速对前位焊缝疲劳寿命影响101234-19mm2A-15mm2A-20mm折弯转角31.2万km101357911131517 192123节点次序(c)在车速12 0 km/h下直线扭曲峰值对前位焊缝疲劳寿命影响1012101l转角折弯34527节点（A向视图）10（c）关键节点3452 7 动应力时域样本车体扭曲模态5.32Hz5（d）关键节点3452 7 动应力15 30 s的频响特征上边中点转角357911131517192123节点次序上边中点转角转角31.2万km34.9万km上边中点转角34.9万km上边中点24=10mm24-15mm2A-20 mm转角转角折弯102101357911131517192123节点次序(d)在车速12 0 km/h下直线扭曲峰值对后位焊缝疲劳寿命影响图6基于结构应力的钩缓冲击座附近危险焊缝疲劳寿命评估2030时间/s10频率/Hz转角上边中点80km/h100km/h120km/h130km/h折弯折弯折弯31.7万km-401580km/h100km/h-120km/h折弯506020584.2.3#相关影响因素分析在美国AAR5级谱、直线扭曲峰值2 0 mm以及两者叠加谱三种轨道不平顺激扰输人下，车体摇晃及其对侧墙横向弯曲振动的影响见图7,前者（AAR5级谱）仅使侧墙横向振动，而后两者则均迫使车体摇晃并产生具有几乎相同的侧墙横向振动特征，强度略有差异。侧墙横向振动具有两个主要成份，即侧墙中央同向/反向横弯模态的自激振动。由此可见，直线扭曲峰值2 0 mm不仅会迫使车体摇晃，包括车体上摆1.3Hz及其伴随振动2.6 Hz,后者伴随振动与图5（d)的频响特征一一对应，而且最大旁承力的载荷激励还会使轻量化车体的扭曲模态产生耦合共振。3-AAR5级谱车体侧滚模态-.直线扭曲峰值2 A=20mm频率1.7 4HzAAR5级与直线扭曲峰值2 A-20mm叠加谱阻尼比40.34%侧墙中央反向横弯模态频率15.7 7 Hz阻尼比0.0 1%05（a）在不同种类轨道谱激励下左侧墙上部中央测试点横向加速度频响对比（c）侧墙中央反向横弯模态图7 车体摇晃及其对侧墙横向弯曲振动影响车体摇晃迫使最大旁承力增大，相位滞后对前位与后位旁承力差所造成的非线性影响见图8，摇枕倾覆势能会因相位滞后的非线性影响而使前位最大旁承力远大于后位的，进而迫使车体扭曲模态共振，见图5（d），约5.32 Hz，其弹性振动能量已经远大于伴随运动模态的。同时考虑到前位心盘横向力远小于后位的（文中未示），后位钩缓冲击座附近的危险焊线疲劳寿命分布失去了对称性，主要表现为一侧下边的局部高应力发生了变化。最后，根据钩缓冲击座上方，端墙与地板的中部角焊缝疲劳寿命评估分析结果表明：假若采取上述下边去除修复方案，最短寿命仅可延长至54.4km，其并未立足于耦合共振形成机制分析。铁道学报40302010-1020-30400120010008006004002000-40-30-20-1001020前端左右旁承力差/kN（b）前位最大旁承力幅频累计侧墙中央同向横弯模态1200r频率19.38 Hz阻尼比0.7 9%左侧墙顶部中央测试点v=120km/h1015频率/Hz（b）车体侧滚模态（d）侧墙中央同向横弯模态第45卷前左旁承-前右旁承后左旁承-后右旁承1020时间/s（a）前位与后位最大旁承力对比1000800K600202530304002000-40-30-20-1001020后端左右旁承力差/kN（c）后位最大旁承力幅频累计图8 相位滞后对前位与后位旁承力差所造成的非线性影响本研究所得到的分析结果与图3（b）的现场情况相吻合。未修复前，钩缓冲击座附近危险焊缝的最短疲劳寿命仅有30 余万km。由于振动疲劳影响并未彻底消除，如图3(c)所示的修复方案最短疲劳寿命仅可延长至50 余万km。综上所述，就某运煤车来讲，钩缓箱附近开裂原因的两种不同分析观点均有可能，只不过考虑到其运维特点，如服役条件有可能造成的腐蚀疲劳、直线扭曲激扰输入、车体扭曲模态频率过低以及下边5mm薄板折弯等影响因素，本研究认为：振动疲劳损伤导致开裂的可能性更大一些。4.3耦合共振形成机制分析考虑到刚柔耦合模型及其仿真条件，动态仿真分析结果存在与实际情况的偏差，其不可能全面反映现场疲劳开裂及其综合因素影响。但是上述刚柔耦合振动疲劳分析评估工作是要立足于耦合共振形成机制分析，以便今后科学制订并验证减振对策及其有效性。通过上述典型算例，本研究所提出的新方法可以给出耦合共振形成机制的如下重要分析结论：在直线扭曲或轨道长波水平不平顺激励输入下，平面心盘失载已经成为空车回送的一种常态。因而以最大旁承力40503030406040第11期作为相关激励，走行部与整备车体之间构成了特殊的耦合关系。考虑到轻量化车体设计可能存在的缺陷，如某运煤车的空车扭曲模态频率过低以及钩缓装置质量约500600kg，钩缓冲击座附近焊缝开裂应该属于振动疲劳损伤的力学性质。这一分析结论具有如下两项有力论据：1)钩缓冲击座附近的局部高应力及相关影响因素分析结果与现场情况基本吻合，没有必要再进行费时费力的试验测试验证。考虑到下边薄板的不足50mm折弯边宽度，现场贴片测试试验的可行性不大，试验分析结果的可信性也值得商榷。2）只有以最大旁承力作为相关激励，整备车体扭曲模态共振才会暴露钩缓冲击座附近的局部薄弱缺陷，进而产生振动疲劳问题。因翻车机卸煤作业所造成的低周疲劳损伤是客观存在的，但是并非主要影响因素，其理由有二：卸煤作业的载荷激励作用于侧墙中部；侧墙与端墙上部转角才是可能形成局部薄弱缺陷的地方。这是结构力学的基本原理所决定的行为规律，不需模型仿真验证。考虑到局部剪应力的显著影响，侧墙与端墙上部转角开裂才是上述低周疲劳损伤的主要失效形式之一。考虑到前位最大旁承力远大于后位的见图8（b）和图8（c），振动疲劳失效则发生在钩缓冲击座附近并非侧墙与端墙上部转角处。因此，这一焊缝开裂的振动疲劳力学性质是毋庸置疑的。局部薄弱及其剪应力的显著影响是低周疲劳损伤形成的主要特征之一。比如北美出口铁路货车，轨道长波水平不平顺激扰输入时常会迫使最大旁承力产生极端情况，可达整备车体质量的7 5%以上。考虑到地板底架整体刚度较大，重载运煤车扭曲变形较小，直线扭曲波长33.3m（峰值55mm），最大旁承力可达约640kN。在如此严峻的多轴激励下，上旁承结构设计必须考虑其剪应力的显著影响，如根部焊缝的转角处。相反，如两箱集装箱纵承梁平车，则会因端部横梁与边梁弹性变形而使局部高应力部位发生转移，即在后从板座与纵承梁之间的结合部，约545MPa。尽管如此,板厚2 5mm显著降低了剪应力影响。因此，有效降低剪应力影响应该作为局部补强设计的基本原则。5结论就轨道车辆而言，刚柔耦合关系会因复杂约束奇异性而变得难以确定，进而使得既有的振动疲劳评估方法丧失了其应用前提。为此，本研究在动态仿真及靳世英等：轨道车辆刚柔耦合振动疲劳分析评估方法59协同分析的软件支撑下，制订了一种刚柔耦合振动疲劳损伤分析评估的新方法，以复杂约束内力的精准分析结果来保障模态应力恢复MSR的正确性，进而实现了与董氏结构应力恢复及焊缝疲劳损伤评估方法之间的无缝对接操作，更好地展示了其网格不敏感和应力集中效应两大技术优势。本研究工作主要结论如下：1）根据振动疲劳的双重力学属性，轨道车辆系统设计应该尽可能消除并解除耦合共振及其发生条件，使振动疲劳评估立足于耦合共振形成机制分析，为编制可靠载荷谱做好必要的技术准备。2)作为刚柔耦合仿真技术应用的一项重要延伸部分，本研究应用上述新方法，分析了某运煤车的钩缓冲击座附近开裂原因及下边去除修复方案的可行性。空车刚柔耦合仿真分析表明：整备车体扭曲模态频率过低，约6.10 Hz,是造成疲劳损伤的根本原因。在特定的轨道激励输人下，车体摇晃迫使最大旁承力增大，且前位大于后位的。结果钩缓冲击座附近高应力变化与车体扭曲模态振动之间形成了明显的相关性影响关系，使危险焊缝的最短寿命降低至30 余万km。多种仿真工况对比分析还可以证实：运行车速与直线扭曲峰值仅仅是造成疲劳损伤的两个次要因素。相应的下边去除修复方案也仅使最短疲劳寿命延长至50 余万km。因此，钩缓冲击座附近开裂可以定性为振动疲劳问题，并非翻车机卸煤所造成的低周疲劳损伤。3)为了最大程度地避免诸如准静态加载法和模态叠加法的人为随意性，刚柔耦合振动疲劳分析评估新方法以模态等效激励来进行基于主节点力与位移的模态应力恢复MSR，进而实现了与董氏结构应力恢复及焊缝疲劳损伤评估方法之间的无缝对接操作。由于在多轴激励下构建了基于动态质量阵的刚柔耦合关系，柔性车体线性时不变系统的响应特性能够更加真实地反映轮轨接触与转向架悬挂两大非线性影响。结合快捷与重载铁路运输的快速发展需求，低周疲劳损伤将作为未来轻量化车体的研究重点之一。考虑到局部剪应力的显著影响，如新型运煤漏斗车的轻量化车体将会更加注重细节设计，进一步提升对轨道线路服役条件的适应性。参考文献：1】朴明伟，王婷，兆文忠集装箱平车垂向振动问题及减振对策J.振动与冲击，2 0 0 8，2 7（4）：117-12 1,17 4.PIAO Mingwei,WANG Ting,ZHAO Wenzhong.ContainerFlat Wagons Vertical Vibration Problem and Its Vibration-Re-60ducing Strategy J.Journal of Vibration and Shock,2008,27(4):117-121,174.2朴明伟,方吉，赵钦旭，等.基于刚柔耦合仿真的集装箱车体振动疲劳分析J.振动与冲击，2 0 0 9，2 8（3)：1-5.PIAO Mingwei,FANG Ji,ZHAO Qinxu,et al.Vibration Fa-tigue Analysis of Container Flatcar Based on Rigid-FlexibleCoupling Simulation J.Journal of Vibration and Shock,2009,28(3):1-5.3 QUIGLEYJ P,YUNGLI L,LIANGW.Review andAssessment of Frequency-based Fatigue Damage Models J.SAE International Journal of Materials&Manufacturing,2016,9(3):565-577.4 TEIXEIRA G 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