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来源：职称驿站所属分类：车辆论文 发布时间：2012-08-22浏览：50次
摘要：根据高速列车轴箱定位橡胶关节几何尺寸和实际载荷工况，通过有限元软件MSC.Patran建立其有限元模型。选用与实验数据相吻合的Ogden模型模拟橡胶材料的力学特性，利用MSC.Marc软件，对高速列车在典型的11种工况下的橡胶关节进行了数值分析，得到了相应的位移和应力分布规律与峰值位移和应力的动态响应曲线。进一步利用MSC.Fatigue软件对橡胶关节进行了疲劳分析，得到橡胶关节的橡胶部件是疲劳破坏根源，疲劳破坏的位置在橡胶关节外套开口处的橡胶部分、橡胶两端的转角处以及橡胶两端的凹槽内。最后针对某正在设计修建的高速铁路的实际路况建立了相应的力学模型，基于本文提出的动态响应与疲劳寿命分析方法对橡胶关节在实际工况下的整体疲劳寿命进行了数值计算，得到了在实际线路上高速列车橡胶关节的疲劳寿命。
关键字：橡胶关节；瞬态响应；疲劳分析
中图分类号：U292文献标识码：A文章编号：
引言：
高速列车以其快捷、舒适，高效与安全可靠的优势，已成为了21世纪具有标志性的交通工具[1]。高速列车的转向架是连接机车车体和车轮之间一个十分重要的缓冲装置，而安装在转向架上的轴箱定位节点中的橡胶关节的动力学特性对于高速列车的安全运行和乘坐的舒适度有着非常重要的影响。
橡胶元件力学行为十分复杂。在承受载荷时，其材料非线性、几何非线性表现非常明显。采用常规静强度方法进行的分析计算，设计出的橡胶元件在应力均布和结构形式上都难以达到优化设计的要求，而橡胶关节的结构形式以及橡胶材料的力学性能是影响其抗冲击性能、疲劳寿命的主要因素。为改善高速列车结构平稳性指标、保持高高速列车曲线运行的稳定性，必须考虑随机动载荷作用下的结构疲劳寿命预测，这样更能反应机车车辆复杂的实际使用环境。国内外橡胶元件设计的研究重点己经从传统的静强度和常规疲劳设计方法，逐步向考虑结构随机振动特性的疲劳设计方法过渡。本文选用与实验数据较为吻合的Ogden模型，利用MSC.Fatigue软件，对11种工况下的橡胶部件进行了疲劳分析，从而实现设计阶段轴箱定位橡胶关节的疲劳寿命预测。
1高速列车轴箱定位关节结构特点
橡胶关节是高速列车转臂式定位结构上的定位节点，轴箱橡胶节点由3部分组成：芯轴，外套以及橡胶层，如图1所示。该产品广泛地应用于高速客车，地铁车辆和城市轻轨车辆转向架上，是轨道车辆转向架的关键部件。
图1橡胶关节实物图
2材料的本构模型及参数
橡胶关节由钢与橡胶两种材料组成，芯轴与外套是钢材，橡胶层是天然橡胶材料。芯轴和外套所用钢材分别是45号钢和Q215钢，采用理想弹塑性模型，橡胶用的是硬度为55°的天然橡胶，采用4参数的Ogden模型来模拟该橡胶材料的超弹性属性，钢材与橡胶的材料参数如表1所示，橡胶应变能密度形式如下：
(1)
式中：,为材料常数，且满足；，为主变形率，为体积变形量；为体积参数。
表1材料参数表
材料名称 弹性模量
(MPa) 泊松比 密度
(kg/m3) 屈服应力
(MPa) 极限拉
伸强度
(MPa) 1 2 1 2
45_steel 209000 0.269 7890 335 600
Q215 210000 0.265 7850 215 400
天然橡胶 4.48 0.49 1000 24.5 0.056 1.98 4.57 3.83
3 高速列车轴箱定位关节瞬态分析
在列车的高速行驶状态下，橡胶关节主要承受来自横向与纵向的冲击力，而轨道的平稳使其受到的垂向冲击力可以忽略不计。列车的直线加速行驶、通过大半径弯轨以及不同速度下的制动过程，对于橡胶关节的受力而言，都是典型的瞬态作用过程，采用瞬态响应来分析这些工况对橡胶关节的影响。
针对不同工况下高速运行的列车，对橡胶关节所受总纵向力与总横向力编制载荷谱，得到了在一定时间段内不断变化的载荷值。工况共11个，具体情况如下：
1、 高速列车以200km/h的速度直线行驶；
2、 高速列车以250km/h的速度直线行驶；
3、 高速列车以300km/h的速度直线行驶；
4、 高速列车以350km/h的速度直线行驶；
5、 高速列车以250km/h的速度通过半径为3km的圆弧形轨道；
6、 高速列车以250km/h的速度通过半径为5km的圆弧形轨道；
7、 高速列车以300km/h的速度通过半径为5km的圆弧形轨道；
8、 高速列车以350km/h的速度通过半径为5km的圆弧形轨道；
9、 高速列车以300km/h的速度通过半径为8km的圆弧形轨道；
10、 高速列车以350km/h的速度通过半径为8km的圆弧形轨道；
11、 高速列车以350km/h的速度进行制动。
高速列车的驶过程中，橡胶关节都同时受到横向力与纵向力的共同作用。对于不同的列车行驶路况，如转弯，制动以及横风作用下，橡胶关节受到的横向力与纵向力的数值都会不同。为了模拟不同工况下行驶的高速列车上的橡胶关节的受力情况，在瞬态分析中，把横向力与纵向力同时加到橡胶关节上，对于横向力加载，采用均布载荷分布形式；对于纵向力加载，采用圆形分布形式。并在两端施加固定边界条件，利用有限元软件MSC.Patran建立橡胶关节的有限元模型如图2所示，有限元模型的单元节点总数为18188个，单元总数为14984个（六面体单元14944个，楔形体单元40个）。
图2橡胶关节有限元模型
高速列车以200km/h的速度行驶在直线轨道上时，40s内橡胶关节受到的横向力与纵向力与时间关系如图3所示。横向载荷与纵向载荷同时加载，时间步长为0.1s。
图3200km/h直线行驶的高速列车橡胶关节所受的载荷曲线
最大位移响应分布规律如图4所示，橡胶关节最大位移响应发生在金属外套开口处橡胶部位，最大位移值约为0.765mm。橡胶关节各部件的局部位移响应为：中心轴最大位移响应为0.0016mm，发生在芯轴正中部位；橡胶层最大位移响应为0.765mm，发生在临近金属外套开口位置处；金属外套最大位移响应为0.464mm，发生在纵向载荷与外套的作用位置处。各部件的位移响应规律如图5所示。
图4200km/h直线行驶时的列车橡胶关节最大位移响应云图
(a)芯轴(b)橡胶层(c)外套
图5200km/h直线行驶时的列车橡胶关节各部件的最大位移响应云图
橡胶关节最大应力响应发生在芯轴端部金属片的转角部位，由图6所示的最大应力响应分布云图，列车以200km/h的速度在直线轨道上行驶的四十秒钟内，橡胶关节的最大应力约为109MPa。橡胶关节各部件的局部应力响应为：芯轴最大应力响应为4.96MPa，发生在芯轴端部金属片的转角部位；橡胶层最大应力响应为1.19MPa，发生在橡胶层与芯轴金属片接触处；金属外套最大应力响应为109MPa，发生在外套表面中间位置和外套表面的转角处。各部件的应力响应云图如图7所示。
图6200km/h直线行驶时的橡胶关节最大应力响应云图
(a)芯轴(b)橡胶层(c)外套
图7200km/h直线行驶时的列车橡胶关节各部件的最大应力响应云图
根据随机载荷谱，利用MSC.Marc软件对橡胶关节服役的11种工况进行了分析，分析时间为40s，分析步长为0.1s，最后得到的各工况最大位移响应和最大应力响应详见表2。
表2瞬态分析结果
工况 最大位移响应（mm） 最大应力响应（MPa）
Straigh_200 0.765 109
Straigh_250 0.634 103
Straight_300 0.764 106
Straight_350 0.788 177
R3.5km_250 1.26 152
R5km_250 0.984 155
R5km_300 1.28 215
R5km_350 2.53 247
R8km_300 1.02 209
R8km_350 1.10 192
Brake_350 1.47 177
对于服役状态下橡胶关节的11种工况，根据随机载荷谱进行有限元分析后所得的结果可知橡胶关节在服役状态下，最大位移响应点都出现在金属外套开口部位的橡胶处，最大应力响应点出现在外套端部受挤压部位。因此，橡胶关节最容易失效的部位为外套端部转角处。对于直线行驶工况，随着高速列车行驶速度的不断提升，橡胶关节的应力响应逐渐加大，但增加缓慢。因此，当高速列车直线行驶时，行驶速度对橡胶关节破坏的影响较小。并且，从最大位移响应与应力响应的结果可知，高速列车以直线行驶的工况为橡胶关节所有服役工况中最为安全的工况。
4高速列车轴箱定位关节疲劳分析
橡胶关节的三个部件中，除了中部的橡胶层外，芯轴与外套都由是钢材组成。在高速列车行驶各工况的不断循环交替变化下，橡胶关节容易产生疲劳破坏。因此，橡胶关节各部件的疲劳分析非常重要，它是对橡胶关节使用寿命的有效评估，能对高速列车安全行驶提供有力保障。
4.1定位关节钢件的疲劳寿命分析
基于瞬态分析所得的应力结果，把各工况的应力作为载荷历程依次导入到MSC.Fatigue软件中，采用S-N法分别分析各工况下芯轴与外套的疲劳寿命。
芯轴部件的疲劳分析结果见图8。
图8各工况下芯轴的疲劳寿命与分布云图
分析结果表明，在任意工况下，橡胶关节的芯轴部分都不会发生疲劳破坏。这是因为，在各工况下芯轴的应力载荷历程经过雨流计数与Goodman修正后，其应力幅值都低于钢材材料的疲劳极限，导致芯轴的疲劳寿命大于107次。图9所示为外套的疲劳寿命与分布云图，利用芯轴部件疲劳分析的同样方法，容易得出橡胶关节的外套部分也能达到永久寿命，
图9外套的疲劳寿命与分布云图
由分析可知，对于高速列车的各工况，定位关节的金属部分疲劳寿命都大于了1千万（107）次，不发生疲劳破坏。
4.2定位关节橡胶件的疲劳寿命分析
将高速列车以200km/h的速度直线行驶的橡胶关节瞬态分析应力结果导入MSC.Fatigue中，采用S-N法分析橡胶部件的疲劳寿命。得到橡胶部件的疲劳寿命分布如图11所示，发生疲劳破坏的位置在外套开口处的橡胶部分，其寿命为127万次。对于整个橡胶部件，在离危险点较远的其它部位，其寿命接近于无限次循环。
图11200km/h直线行驶的列车橡胶关节橡胶部分的疲劳寿命与分布云图
由MSC.Fatigue软件对各工况下的橡胶部件分别进行了疲劳分析后，得到各工况下的橡胶部件的最小疲劳寿命值。将橡胶关节各部件分别进行了疲劳分析后，得到各部件的最小疲劳寿命值列于表3中。
表3橡胶橡胶关节各部件的疲劳寿命值
工况 芯轴部件寿命（万次） 橡胶部件寿命（万次） 外套部件寿命（万次）
Straigh_200 >1000 127 >1000
Straigh_250 >1000 127 >1000
Straight_300 >1000 122 >1000
Straight_350 >1000 120 >1000
R3.5km_250 >1000 259 >1000
R5km_250 >1000 221 >1000
R5km_300 >1000 251 >1000
R5km_350 >1000 189 >1000
R8km_300 >1000 212 >1000
R8km_350 >1000 163 >1000
Brake_350 >1000 174 >1000
在实际情况下，如前所述的11个高速列车行驶工况不停反复的组合，构成高速列车的一次完整运行过程。对橡胶关节进行整体疲劳寿命分析时，考虑各工况的共同作用。
从表3中可知橡胶关节最容易发生疲劳破坏的部分是橡胶部件，所以，在进行整体疲劳寿命分析时，以橡胶部件的疲劳寿命最小值作为依据进行计算。以正在进行设计修建的某高速铁路路况为例，对橡胶关节的疲劳寿命进行估算。
该高速铁路的路况为：全线轨道长约1000km，其中直线轨道长约650km，曲线轨道长约350km；曲线半径为4km的线路长度约为2km；曲线半径为8km的线路长度约为70km；曲线半径为9km的线路长度约为156km；曲线半径大于9km的线路长度约为122km；运行区间共设置25个站点。当高速列车在此线路上完成一次完整的运行时，经历了320次以350km/h速度直线行驶的工况；1次通过曲线半径3.5km的工况；35次以300km/h速度通过曲线半径为8km的工况；78次以350km/h速度通过曲线半径为8km的工况；25次制动工况。
设橡胶关节的整体疲劳寿命为n次完整运行，根据Miner法则，有：
(2)
其中，为各工况单独情况下的疲劳寿命，为各工况发生的次数。
将表3所得结果带入到公式(2)中，有：
(3)
由此可得n≈2890（次）。
对于一辆每天在此高速铁路上运行1次的高速列车而言，经过换算，最终可得：
L（寿命）=2890/365（天）≈8（年）。（4）
5结语：
本文提供的方法可以有效的应用到橡胶节点结构设计的早期阶段，及时发现橡胶节点发生疲劳破坏的危险位置，然后通过结构改进和优化设计，可以获得动态特性和抗疲劳性能较好的结构，以提高橡胶节点结构设计的安全可靠性能。并且在列车实际服役过程中，对橡胶关节的检修周期和更换周期的确定提供参考。
6致谢
感谢四川大学“985”科技创新平台引进人才项目的资助
作者简介：刘盛川(1986年-)四川广安人，男，四川大学建筑与环境学院硕士研究生，主要研究方向为结构工程的有限元数值分析和工程材料的本构关系、损伤、断裂及疲劳。
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《高速列车轴箱定位橡胶关节动态响应与疲劳寿命的有限元分析》
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