列车底架吊装试验分析
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本文作者：程亚军1高阳1刘洪涛1张锐2作者单位：1.长春轨道客车股份有限公司2.中国铁道科学研究院标准计量研究所
对底架吊装的仿真分析分为2个阶段，首先将所有吊装件同时安装到车体底架，施加载荷进行仿真，确定工作条件最恶劣的吊装连接座；然后根据试验室试验台的布局和工装等情况，取出包含工作条件最恶劣吊装座的部分进行分析，从而指导试验贴片的粘贴并作为与试验结果对比分析的依据。
1底架吊装结构
底架吊装设备包含2个逆变器（SIV）、2个蓄电池箱、1个蓄电池充电设备，分别吊装在底架的两端和中部。每个逆变器的重量均为1600kg，蓄电池箱重量分别为1004kg与644kg，蓄电池充电箱重量为550kg。底架吊装梁采用SUS301L-DLT不锈钢焊接而成，材料的屈服强度为345MPa，吊装的角型折弯件与横梁分别采用点焊和弧焊相结合的方式焊接。吊装结构的安装布置如图1所示。
2底架吊装有限元模型
底架吊装结构有限元模型以4节点薄壳单元为主，3节点薄壳单元为辅。有限元模型中单元总数741500个，结点总数752632个。图2给出了底架吊装结构的有限元网格模型。
3底架吊装强度分析
底架吊装静强度分析执行欧洲EN12663《铁路应用铁路车辆车身的结构要求货运车》。疲劳分析执行英国BS7608《钢结构疲劳设计与评估》，采用该标准中F2等级的S-N曲线，通过累积损伤的方法对结构进行疲劳评估。静强度分析工况仅列出2种最恶劣的工况，见表1。通过仿真分析，工况1、2对应的最大应力区域均发生在蓄电池吊装座角型折弯件上，最大应力为322.5MPa。通过疲劳分析计算，蓄电池箱吊装梁焊接部位的疲劳应力为23.5MPa，损伤为0.15。该损伤主要由纵向振动工况引起。蓄电池吊装座在所有吊装中比较危险，因此选择包含蓄电池箱吊装的局部底架结构进行详细分析，并且进行强度和疲劳试验。
4蓄电池箱吊装强度分析
限于试验场地和工装的原因，底架局部吊装模型长度取3m，如图3所示。为了与实际试验的安装和定位相同，在两侧下边梁底面进行固定约束，两侧边梁端部施加纵向约束。仿真分析结果表明，应力较大位置基本都位于吊装纵梁与底架横梁折弯件焊接位置，分别为86.4MPa和-84.11MPa。
底架吊装结构的疲劳试验方法
底架疲劳试验方法根据试验场地的布置和工装设计可以分为2种，一种是采用与车辆安装相同的方式布置（正向），在试件下部放置作动器加载,；另一种是将底架反方向布置（反向），在试件上部放置作动器加载。试验底架采用“反向”安装方法，如图4所示。
1工装设计
试验工装设计必须考虑实际蓄电池箱的连接刚度，且保证加载位置位于蓄电池箱的重心。试验通过横梁和纵梁连接工装保证连接刚度，横梁通过螺栓、垫片连接到底架上，同时螺栓施加与实际工况相同的预紧扭矩。为了考虑侧墙等的连接刚度，试验时将底架边梁下表面通过工装进行约束，边梁端部采用纵向止挡进行约束，同时在横梁中部的边梁位置用压板将底架固定到工装上。
2静强度试验
静强度试验工况、疲劳试验工况与仿真分析工况相同，试验过程中共粘贴片47个，位于吊装座角型折弯件处和底架横梁与折弯件焊接部位，试验载荷通过作动器、工装施加至蓄电池箱重心位置。静强度试验通过作动器、千斤顶等实现加载，按照表1所列工况进行加载，蓄电池箱端部吊装座位置1的应变片贴片和仿真分析计算应力云图如图5所示。蓄电池箱端部吊装座位置2的应变片贴片和仿真分析计算应力云图如图6所示。图5所示位置的应力计算值为86.4MPa，试验值为117.5MPa。图6所示位置的应力计算值为-84.1MPa，试验值为-125.6MPa。计算与试验产生的误差较大。经对比试验模型与前期仿真分析模型，发现试件在图5位置的吊座下部焊接漏焊，图6位置的纵梁立面没有按照前期优化方案切割。经对仿真分析模型修改重新计算，图5所示位置的应力计算值为122.7MPa，图6所示位置的应力计算值为-136.2MPa，与试验值比较，误差均在10%以内。修正后的模型仿真分析应力云图如图7所示。该现象说明仿真分析与试验的结合比较好，前期产生偏差的原因主要是试验的局部吊装结构与前期设计结构存在一定差别，因此控制好生产质量是结果对比的关键因素。通过对比分析，进一步验证了仿真分析结果的可靠性，仿真分析对于提高结构设计的质量、指导试验是十分有效的途径。
3疲劳强度试验
按照标准，疲劳试验一般需进行1000万次，试验周期较长。为了缩短试验周期，试验单位大都采用疲劳加速的方法进行试验，将试验次数缩短至200万次。试验根据BS7608标准提供的S-N曲线进行疲劳加速试验，通过公式（1）的加速方法得到200万次疲劳载荷，在表2的基础上放大系数为1.71倍，试验采用3个方向的作动器分别加载，加载波形为正弦波形，200万次试验后，探伤没有发现裂纹，结构满足疲劳强度要求。
结论与展望
（1）通过某地铁客车底架局部吊装仿真分析与疲劳试验方法研究，论证了仿真分析2步法，即首先从整体考虑，确定吊装局部试验模型，然后根据试验条件对试验局部模型进行详细分析，确定试验传感器布置方式和位置。（2）疲劳试验可以采用正向和反向的方法，具体根据试验现场而定。疲劳试验时要尽量与车辆实际运行相似，比如可通过灵活设计工装，或从试验加载等方面进行考虑。（3）疲劳试验的加速方法，根据S-N曲线可以实现疲劳试验的加速。（4）为了提高仿真分析与试验结果的对比精度，一定要从仿真分析模型简化与试验构件的模型准确性一致性进行仔细对比，进一步考虑仿真分析与试验对比的具体细节。
