軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法及裝置，利用有限元模型仿真技術，模擬待試驗車體結(jié)構(gòu)件在整車疲勞狀態(tài)下的試驗工況，并以此確定待試驗車體結(jié)構(gòu)件的試驗加載工況的步驟；再根據(jù)上步驟得出的試驗加載工況，對待試驗車體結(jié)構(gòu)件施加相應載荷，并對疲勞強度進行檢測的步驟。本發(fā)明通過仿真分析與試驗相結(jié)合的方法，快速、準確對側(cè)墻等不銹鋼車體結(jié)構(gòu)大部件的焊縫疲勞強度進行試驗，操作簡易可行，該試驗技術的使用，不僅可以提供準確的檢測數(shù)據(jù)，積累大量真實有效的試驗數(shù)據(jù)，同時有利于對車輛疲勞安全可靠性進行分析研究，為車輛疲勞安全可靠性提供有力依據(jù)。
【專利說明】軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法及裝置【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種疲勞強度測試方法和裝置，特別涉及一種針對軌道車輛的車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法及裝置，屬于軌道車輛試驗【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著我國城市化進程的推進，城軌車輛的需求量也在不斷加大。城市軌道車輛穩(wěn)定運行保證城規(guī)車輛發(fā)展的關鍵因素，而車輛疲勞可靠性是有關城市軌道車輛穩(wěn)定運行的有力保證，因此車輛疲勞可靠性評估方法作為一項關鍵技術越來越受到關注。
[0003]疲勞試驗是試件或模擬機件在各種環(huán)境下經(jīng)受交變載荷而測定其疲勞性能的依據(jù)，是研究和驗證結(jié)構(gòu)疲勞性能的主要方法。零件或者小構(gòu)件疲勞試驗可以借助通用的疲勞試驗機和裂紋檢測設備進行考察，而大尺寸部件或者全機疲勞試驗技術由于技術和設備的制約，目前較難完成。[0004]全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗通常按簡化的試驗載荷譜以多點協(xié)調(diào)加載方式進行試驗加載。整個試驗過程包括耐久性試驗和損傷容限試驗。前者的目的是發(fā)現(xiàn)在預定使用壽命內(nèi)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生疲勞破壞的部位和確定各危險部位疲勞壽命，后者的目的在于測定裂紋擴展的速率和結(jié)構(gòu)殘余強度，同時，在試驗中須對試件進行連續(xù)的檢測。
[0005]在城軌車輛試驗【技術領域】中，針對車體及其大部件靜強度試驗技術已趨于成熟，主要方法是依據(jù)不同的強度標準，在車體靜強度試驗臺對全尺寸車體或車體大部件進行加載和評估。但是，對于車體疲勞強度試驗來說，由于受到試驗條件和試驗技術的制約而沒有開展。因此，針對于城軌車輛大部件單元的疲勞強度試驗技術就顯得尤為重要，且此類試驗對于保證車輛運行穩(wěn)定性起著重要作用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明主要目的在于解決上述問題，提供了一種軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法及裝置，可以快速準確測試如側(cè)墻等大部件焊縫的疲勞強度，操作簡易可行，而且可以提供準確的檢測數(shù)據(jù)以供對車輛疲勞安全可靠性進行分析研究。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是:
[0008]一種軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法，包括:
[0009]利用有限元模型仿真技術，模擬待試驗車體結(jié)構(gòu)件在整車疲勞狀態(tài)下的試驗工況,并以此確定待試驗車體結(jié)構(gòu)件的試驗加載工況的步驟；
[0010]根據(jù)上步驟得出的試驗加載工況，對待試驗車體結(jié)構(gòu)件施加相應載荷，并對疲勞強度進行檢測的步驟。
[0011]進一步，在確定待試驗車體結(jié)構(gòu)件的試驗加載工況的步驟中，還具體包括如下步驟:
[0012]確定車輛疲勞載荷工況；
[0013]依據(jù)得出的疲勞載荷工況，對待試驗車體結(jié)構(gòu)件進行有限元建模、計算和分析，記錄待試驗車體結(jié)構(gòu)件的各向位移值及關鍵點應力值，使待試驗車體結(jié)構(gòu)件的位移和應力與整車計算結(jié)果中對應位置的待試驗車體結(jié)構(gòu)件的位移和應力保持一致，并以此確定試驗加載工況。
[0014]進一步，所述車輛疲勞載荷分為垂向疲勞載荷與橫向疲勞載荷兩部分，并分別按如下公式確定；
[0015]垂向疲勞載荷=車輛正常工作狀態(tài)下的載荷X (1±0.15) Xg；
[0016]橫向疲勞載荷=車輛正常工作狀態(tài)下的載荷X(±0.15)Xg。
[0017]進一步，在依據(jù)疲勞載荷工況確定試驗加載工況的步驟中，利用遞進的方法對有限元模型進行約束和加載分析。
[0018]進一步，在對待試驗車體結(jié)構(gòu)件的疲勞強度進行檢測的步驟中，還具體包括如下步驟:
[0019]根據(jù)試驗加載工況，確定待試驗車體結(jié)構(gòu)件的載荷加載點及數(shù)據(jù)采集點；
[0020]將加載裝置和數(shù)據(jù)采集裝置布置在載荷加載點及數(shù)據(jù)采集點處，對待試驗車體結(jié)構(gòu)件施加載荷，同時進行各向位移值及關鍵點應力值的數(shù)據(jù)采集；
[0021 ] 對關鍵部位的焊縫進行滲透探傷檢測。
[0022]進一步，疲勞強度檢測包括超員載荷工況下側(cè)墻垂直受拉試驗和正常工作載荷下側(cè)墻疲勞載荷加載試驗。
[0023]進一步，所述數(shù)據(jù)采集裝置包括位移計和貼附于車體被測部位的應變片，所述加載裝置包括作動器，所述滲透探傷檢測采用射線探傷檢測及滲透檢測，所述位移計、應變片及作動器通過信號線與控制裝置連接。
[0024]本發(fā)明的另一個技術方案是:
[0025]一種軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗裝置，包括:
[0026]待試驗車體結(jié)構(gòu)件；
[0027]模擬裝置，用于模擬、計算、分析確定試驗加載工況；
[0028]加載裝置，用于根據(jù)試驗加載工況向待試驗車體結(jié)構(gòu)件加載；
[0029]檢測裝置，用于檢測待試驗車體結(jié)構(gòu)件的各向位移值、關鍵點的應力值及關鍵部位焊縫的探傷檢測。
[0030]進一步，所述加載裝置為多個作動器，多個作動器通過通道與液壓作動缸連接，所述作動器與控制電腦連接。
[0031]進一步，所述檢測裝置包括位移計、貼附于車體被測部位的應變片、滲透檢測設備、射線探傷檢測設備，所述位移計和應變片與控制電腦連接。
[0032]綜上內(nèi)容，本發(fā)明所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法及裝置，以不銹鋼激光焊車體結(jié)構(gòu)大部件為研究對象，通過仿真分析與試驗相結(jié)合的方法，快速、準確對側(cè)墻等不銹鋼車體結(jié)構(gòu)大部件的焊縫疲勞強度進行試驗，操作簡易可行，是預測車輛疲勞安全可靠性的重要組成部分，該測試技術的使用，不僅可以提供準確的檢測數(shù)據(jù)，積累大量真實有效的試驗數(shù)據(jù)，同時有利于對車輛疲勞安全可靠性進行分析研究，為車輛疲勞安全可靠性提供有力依據(jù)。
【專利附圖】
【附圖說明】[0033]圖1是本發(fā)明試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本發(fā)明進行超員載荷工況下的垂直受拉試驗時的加載點布置圖；
[0035]圖3是本發(fā)明進行超員載荷工況下的垂直受拉試驗時的位移計位置圖；
[0036]圖4是本發(fā)明進行正常工作載荷下的疲勞載荷加載試驗時的加載點布置圖。
[0037]如圖1至圖4所示，側(cè)墻1，左窗立柱2，右窗立柱3，窗上橫梁4，窗下橫梁5，側(cè)墻上邊梁6，側(cè)墻下邊梁7，門立柱8，側(cè)墻板9，約束支架10，作動器11。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述:
[0039]如圖1所示，本發(fā)明所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗裝置，以不銹鋼激光焊地鐵車體結(jié)構(gòu)件為試驗對象進行焊縫疲勞強度的測試，如地鐵的側(cè)墻、端墻等大部件，可廣泛用于在中國運行的激光焊車體測試。
[0040]本實施例中，以側(cè)墻I作為待試驗車體結(jié)構(gòu)件進行測試。側(cè)墻I由左窗立柱2、右窗立柱3、窗上橫梁4、窗下橫梁5、側(cè)墻上邊梁6、側(cè)墻下邊梁7、門立柱8及側(cè)墻板9焊接而成，側(cè)墻I為不銹鋼材料，各焊縫通過激光焊焊接。
[0041]大部件的疲勞試驗在疲勞試驗臺上完成，試驗裝直包括待測試的側(cè)墻1、|旲擬裝
[0042]置、加載裝置及檢測裝置，模擬裝置用于模擬、計算、分析確定試驗加載工況，加載裝置用于根據(jù)試驗加載工況向待測試的側(cè)墻I加載，檢測裝置用于檢測側(cè)墻I的各向位移值、關鍵點的應力值及關鍵部位焊縫的探傷檢測。其中，加載裝置采用作動器11，檢測裝置包括位移計、與側(cè)墻I的待測部位密貼的應變片、滲透檢測設備及射線探傷檢測設備等，模擬裝置是內(nèi)包含有HyperWorks有限元軟件的電腦，檢測裝置的檢測結(jié)果傳輸至電腦內(nèi)，電腦進行計算、分析及顯示。
[0043]在疲勞試驗臺上共設置22個作動器11，作動器11的加載頻率為0.01_10Hz，最大靜載荷IOOOkN,作動器11的最大動載荷±500kN，試驗臺的液壓作動缸共設有22個通道，22個通道分別連接22個作動器11，22個通道既可以同時協(xié)調(diào)加載，也可以分成多組分別控制，獨立工作，不互相干擾。
[0044]本發(fā)明所述的疲勞試驗方法，借助有限元計算分析和試驗技術，模擬側(cè)墻I在整車疲勞狀態(tài)下的試驗工況，對其上的關鍵焊縫部位的疲勞強度進行檢測。具體測試方法包括如下步驟:
[0045]一、利用仿真技術確定試驗加載工況:
[0046]1、整車的車輛疲勞載荷分為垂向疲勞載荷與橫向疲勞載荷兩部分。
[0047]垂向疲勞載荷=車輛正常工作狀態(tài)下的載荷X(1±0.15)Xg;
[0048]橫向疲勞載荷=車輛正常工作狀態(tài)下的載荷X (±0.15) Xg；
[0049]通過以上公式，確定車輛疲勞載荷工況。
[0050]2、依據(jù)HyperWorks有限元軟件確定試驗加載工況。
[0051]2-1、依據(jù)以上公式得出的疲勞載荷工況，對激光焊的側(cè)墻I進行有限元建模、計算和分析，記錄側(cè)墻I的各向位移值及關鍵點的應力值。
[0052]仿真計算采用HyperWork軟件進行建模分析，模型采用四邊形板殼單元進行劃分，對于重要部位進行了局部單元細劃，激光焊縫用長細比較大的殼單元進行模擬，平均單元長度取20mm，其中，對整體剛度及局部強度有貢獻的結(jié)構(gòu)，如左窗立柱2、右窗立柱3、窗上橫梁4、窗下橫梁5、側(cè)墻上邊梁6、側(cè)墻下邊梁7、門立柱8等都予以考慮。
[0053]2-2、提起側(cè)墻I有限元模型并進行約束和加載分析，利用遞進的方法，使側(cè)墻I的位移和應力與整車計算結(jié)果中對應位置側(cè)墻單元的位移和應力保持一致，進而模擬側(cè)墻I在整車疲勞狀態(tài)下的試驗工況，并以此確定焊縫疲勞強度試驗時的各點試驗加載工況。
[0054]底架是車輛主要的承載部位，側(cè)墻I則起到傳遞垂向力的作用，在設計側(cè)墻I試驗加載工況時，采用遞進方法，該遞進方法解釋為考慮結(jié)合現(xiàn)有試驗條件，對側(cè)墻上邊梁6進行約束，首先調(diào)整側(cè)墻下邊梁7的加載點位置，找到與整車對應位置側(cè)墻單元變形一致的合適加載點，其次，通過微調(diào)各加載點的載荷數(shù)值來保證兩種狀態(tài)下的側(cè)墻單元變形和應力的一致性。
[0055]二、對關鍵焊縫部位的疲勞強度進行檢測:
[0056]通過上述仿真技術得出側(cè)墻I各加載點的試驗加載工況后，按工況條件對側(cè)墻I各點進行加載，并通過檢測裝置記錄側(cè)墻I各向的位移值和各關鍵點的應力值，具體包括如下步驟。
[0057]結(jié)合現(xiàn)有試驗條件，對側(cè)墻上邊梁6通過約束支架10進行約束，調(diào)整側(cè)墻下邊梁7的加載點位置，找到與整車對應位置側(cè)墻單元變形一致的合適加載點，本實施例中，在側(cè)墻下邊梁7上設置A、B、C三個加載點，再通過微調(diào)各加載點的載荷數(shù)值來保證兩種狀態(tài)下的側(cè)墻單元變形和應力的一致性。
[0058]該試驗分為兩個部分，分別為超員載荷工況下側(cè)墻垂直受拉試驗和正常工作載荷下側(cè)墻疲勞載荷加載試驗。
[0059]1、如圖2所示，側(cè)墻I在超員載荷工況下的垂直受拉試驗。
[0060]該步驟中，作動器11的數(shù)量為3個，分別在側(cè)墻下邊梁7的A，B，C三個加載點位置進行加載，側(cè)墻上邊梁5的D位置用約束支架10進行約束，在A，B, C三個加載點400mm范圍內(nèi)施加載荷。A點和C點距離門立柱7的側(cè)邊外側(cè)70mm，B點距離左窗立柱2約196mm處，使側(cè)墻I保持在滿載荷工況。A，B，C三個加載點的載荷加載方向均為垂直向下，圖2中的箭頭方向即為加載方向，加載的載荷分別為23.3kN，加載方向與側(cè)墻下邊梁7垂直，作動器11的加載頻率為5Hz，目標加載次數(shù)為200萬次。
[0061]試驗需要采集側(cè)墻I各向的位移值以及關鍵部位的應力值，應力值通過貼附于采集點的應變片來(圖中未示出)檢測，位移值通過設置在采集點的位移計(圖中未示出)來檢測，位移值和應力值實時傳輸?shù)浇邮辙D(zhuǎn)化器，接收轉(zhuǎn)化器將位移值和應力值轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至電腦中，電腦對接收到的數(shù)據(jù)進行實時記錄、計算、分析，以確定車體的變形情況。
[0062]位移值采集點的布點位置如圖3所示，分別為1、2、3、4點，I點和2點設置在左、右門立柱7上，I點和2點距離側(cè)墻下邊梁6的底邊均為1200mm，3點和4點設置在窗下橫梁4的位置，距離側(cè)墻下邊梁6的底邊均為900_，在1、2、3、4點處各設置一個位移計。
[0063]應力值采集點的布點位置分別設置在四個門角和四個窗角處，在每個門角和窗角處設置3至4個應變片。此時，采集并查看門角、窗角等高應力區(qū)域應力數(shù)值是否滿足低于屈服應力。
[0064]2、如圖4所示，側(cè)墻I在正常工作載荷下的疲勞載荷加載試驗。
[0065]在正常工作載荷下的疲勞載荷加載試驗的加載位置和載荷值，分兩步進行:[0066]第一步，3個作動器11分別設置在側(cè)墻下邊梁7的A、B、C三點位置，在加載點400mm范圍內(nèi)施加載荷，側(cè)墻上邊梁6的D位置用約束支架10進行約束，A點和B點距離門立柱7的側(cè)邊250mm，C點設置在與左窗立柱3對應的位置處。其中，A點和C點的加載方向垂直側(cè)墻下邊梁7，從側(cè)墻下邊梁7的外側(cè)向側(cè)墻下邊梁7施加載荷(即垂直向上的方向)，A點的載荷為20 kN, C點的載荷為35 kN, B點的加載方向垂直側(cè)墻下邊梁7，但是從側(cè)墻下邊梁7的內(nèi)側(cè)向外施加載荷(即垂直向下的方向)，B點的載荷為20kN。圖4中的箭頭方向即為加載方向。
[0067]第二步，側(cè)墻下邊梁7的A、B、C加載點增加動態(tài)載荷，載荷的幅值在正常工作載荷的±15%范圍內(nèi)同步變化。作動器11的加載頻率為5Hz，循環(huán)次數(shù)為200萬次。
[0068]在加載的過程中，位移計和應變片感應車體被測部件的變形，將位移值和應力值實時傳輸?shù)浇邮辙D(zhuǎn)化器，接收轉(zhuǎn)化器將位移值和應力值轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至電腦中，電腦對接收到的數(shù)據(jù)進行實時記錄、計算、分析，以確定車體的變形情況。
[0069]3、對關鍵部位的焊縫進行滲透探傷檢查。
[0070]對于心不甘激光焊縫的檢測利用XXQ2505射線探傷設備，采用射線探傷(RT)無損檢測手段檢測激光焊縫區(qū)域，透照方式采用單壁透照，增感方式前屏:Pb0.03mm 后屏:Pb0.1mm,并且,時間在4~7min時基本的顯影條件，15min以上實現(xiàn)定影,試驗分別在50萬次、100萬次、150萬次、200萬次四個階段進行檢測操作。
[0071]對于門角等高應力區(qū)域的焊縫及熱影響區(qū)域的檢測采用滲透探傷方法，執(zhí)行EN571和EN1289標準，該滲透檢測設備以噴涂法為主，檢測面白光度≥1000Lx,滲透時間為15min,并留有12min的顯像時間。
[0072]試驗全部結(jié)束。
[0073] 使用該不銹鋼激光焊接車體大部件疲勞強度測試技術，可以快速、準確測試不銹鋼激光焊車體大部件焊縫疲勞強度，是預測車輛疲勞安全可靠性的重要組成部分，該測試技術的使用，不僅可以積累大量真實有效的數(shù)據(jù)，同時可以加快現(xiàn)場測試速度，為車輛疲勞安全可靠性提供有力依據(jù)。保證車輛穩(wěn)定和安全的運行。
[0074]如上所述，結(jié)合附圖和實施例所給出的方案內(nèi)容，可以衍生出類似的技術方案。但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法，其特征在于，包括: 利用有限元模型仿真技術，模擬待試驗車體結(jié)構(gòu)件在整車疲勞狀態(tài)下的試驗工況，并以此確定待試驗車體結(jié)構(gòu)件的試驗加載工況的步驟； 根據(jù)上步驟得出的試驗加載工況，對待試驗車體結(jié)構(gòu)件施加相應載荷，并對疲勞強度進行檢測的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法，其特征在于:在確定待試驗車體結(jié)構(gòu)件的試驗加載工況的步驟中，還具體包括如下步驟: 確定車輛疲勞載荷工況； 依據(jù)得出的疲勞載荷工況，對待試驗車體結(jié)構(gòu)件進行有限元建模、計算和分析，記錄待試驗車體結(jié)構(gòu)件的各向位移值及關鍵點應力值，使待試驗車體結(jié)構(gòu)件的位移和應力與整車計算結(jié)果中對應位置的待試驗車體結(jié)構(gòu)件的位移和應力保持一致，并以此確定試驗加載工況。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法，其特征在于:所述車輛疲勞載荷分為垂向疲勞載荷與橫向疲勞載荷兩部分，并分別按如下公式確定； 垂向疲勞載荷=車輛正常工作狀態(tài)下的載荷X (1±0.15) Xg ; 橫向疲勞載荷=車輛正常工 作狀態(tài)下的載荷X (±0.15) Xgo
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法，其特征在于:在依據(jù)疲勞載荷工況確定試驗加載工況的步驟中，利用遞進的方法對有限元模型進行約束和加載分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法，其特征在于:在對待試驗車體結(jié)構(gòu)件的疲勞強度進行檢測的步驟中，還具體包括如下步驟: 根據(jù)試驗加載工況，確定待試驗車體結(jié)構(gòu)件的載荷加載點及數(shù)據(jù)采集點； 將加載裝置和數(shù)據(jù)采集裝置布置在載荷加載點及數(shù)據(jù)采集點處，對待試驗車體結(jié)構(gòu)件施加載荷，同時進行各向位移值及關鍵點應力值的數(shù)據(jù)采集； 對關鍵部位的焊縫進行滲透探傷檢測。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法，其特征在于:疲勞強度檢測包括超員載荷工況下側(cè)墻垂直受拉試驗和正常工作載荷下側(cè)墻疲勞載荷加載試驗。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗方法，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集裝置包括位移計和貼附于車體被測部位的應變片，所述加載裝置包括作動器，所述滲透探傷檢測采用射線探傷檢測及滲透檢測，所述位移計、應變片及作動器通過信號線與控制裝置連接。
8.—種軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗裝置，其特征在于，包括: 待試驗車體結(jié)構(gòu)件； 模擬裝置，用于模擬、計算、分析確定試驗加載工況； 加載裝置，用于根據(jù)試驗加載工況向待試驗車體結(jié)構(gòu)件加載； 檢測裝置，用于檢測待試驗車體結(jié)構(gòu)件的各向位移值、關鍵點的應力值及關鍵部位焊縫的探傷檢測。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗裝置，其特征在于:所述加載裝置為多個作動器，多個作動器通過通道與液壓作動缸連接，所述作動器與控制電腦連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)大部件疲勞試驗裝置，其特征在于:所述檢測裝置包括位移計、貼附于車體被測部位的應變片、滲透檢測設備、射線探傷檢測設備，所述位移計和應變片與控制電腦連接。
【文檔編號】G01N23/04GK103900834SQ201210574755
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月25日
【發(fā)明者】車全偉, 許嬌, 田愛琴, 周建樂, 鐘元木 申請人:南車青島四方機車車輛股份有限公司