轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法及装置，利用有限元模型仿真技术，模拟待试验车体结构件在整车疲劳状态下的试验工况，并以此确定待试验车体结构件的试验加载工况的步骤；再根据上步骤得出的试验加载工况，对待试验车体结构件施加相应载荷，并对疲劳强度进行检测的步骤。本发明通过仿真分析与试验相结合的方法，快速、准确对侧墙等不锈钢车体结构大部件的焊缝疲劳强度进行试验，操作简易可行，该试验技术的使用，不仅可以提供准确的检测数据，积累大量真实有效的试验数据，同时有利于对车辆疲劳安全可靠性进行分析研究，为车辆疲劳安全可靠性提供有力依据。
【专利说明】轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法及装置【技术领域】
[0001]本发明涉及一种疲劳强度测试方法和装置，特别涉及一种针对轨道车辆的车体结构大部件疲劳试验方法及装置，属于轨道车辆试验【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着我国城市化进程的推进，城轨车辆的需求量也在不断加大。城市轨道车辆稳定运行保证城规车辆发展的关键因素，而车辆疲劳可靠性是有关城市轨道车辆稳定运行的有力保证，因此车辆疲劳可靠性评估方法作为一项关键技术越来越受到关注。
[0003]疲劳试验是试件或模拟机件在各种环境下经受交变载荷而测定其疲劳性能的依据，是研究和验证结构疲劳性能的主要方法。零件或者小构件疲劳试验可以借助通用的疲劳试验机和裂纹检测设备进行考察，而大尺寸部件或者全机疲劳试验技术由于技术和设备的制约，目前较难完成。[0004]全尺寸结构疲劳试验通常按简化的试验载荷谱以多点协调加载方式进行试验加载。整个试验过程包括耐久性试验和损伤容限试验。前者的目的是发现在预定使用寿命内结构可能发生疲劳破坏的部位和确定各危险部位疲劳寿命，后者的目的在于测定裂纹扩展的速率和结构残余强度，同时，在试验中须对试件进行连续的检测。
[0005]在城轨车辆试验【技术领域】中，针对车体及其大部件静强度试验技术已趋于成熟，主要方法是依据不同的强度标准，在车体静强度试验台对全尺寸车体或车体大部件进行加载和评估。但是，对于车体疲劳强度试验来说，由于受到试验条件和试验技术的制约而没有开展。因此，针对于城轨车辆大部件单元的疲劳强度试验技术就显得尤为重要，且此类试验对于保证车辆运行稳定性起着重要作用。
【发明内容】
[0006]本发明主要目的在于解决上述问题，提供了一种轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法及装置，可以快速准确测试如侧墙等大部件焊缝的疲劳强度，操作简易可行，而且可以提供准确的检测数据以供对车辆疲劳安全可靠性进行分析研究。
[0007]为实现上述目的，本发明的技术方案是:
[0008]一种轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法，包括:
[0009]利用有限元模型仿真技术，模拟待试验车体结构件在整车疲劳状态下的试验工况,并以此确定待试验车体结构件的试验加载工况的步骤；
[0010]根据上步骤得出的试验加载工况，对待试验车体结构件施加相应载荷，并对疲劳强度进行检测的步骤。
[0011]进一步，在确定待试验车体结构件的试验加载工况的步骤中，还具体包括如下步骤:
[0012]确定车辆疲劳载荷工况；
[0013]依据得出的疲劳载荷工况，对待试验车体结构件进行有限元建模、计算和分析，记录待试验车体结构件的各向位移值及关键点应力值，使待试验车体结构件的位移和应力与整车计算结果中对应位置的待试验车体结构件的位移和应力保持一致，并以此确定试验加载工况。
[0014]进一步，所述车辆疲劳载荷分为垂向疲劳载荷与横向疲劳载荷两部分，并分别按如下公式确定；
[0015]垂向疲劳载荷=车辆正常工作状态下的载荷X (1±0.15) Xg；
[0016]横向疲劳载荷=车辆正常工作状态下的载荷X(±0.15)Xg。
[0017]进一步，在依据疲劳载荷工况确定试验加载工况的步骤中，利用递进的方法对有限元模型进行约束和加载分析。
[0018]进一步，在对待试验车体结构件的疲劳强度进行检测的步骤中，还具体包括如下步骤:
[0019]根据试验加载工况，确定待试验车体结构件的载荷加载点及数据采集点；
[0020]将加载装置和数据采集装置布置在载荷加载点及数据采集点处，对待试验车体结构件施加载荷，同时进行各向位移值及关键点应力值的数据采集；
[0021 ] 对关键部位的焊缝进行渗透探伤检测。
[0022]进一步，疲劳强度检测包括超员载荷工况下侧墙垂直受拉试验和正常工作载荷下侧墙疲劳载荷加载试验。
[0023]进一步，所述数据采集装置包括位移计和贴附于车体被测部位的应变片，所述加载装置包括作动器，所述渗透探伤检测采用射线探伤检测及渗透检测，所述位移计、应变片及作动器通过信号线与控制装置连接。
[0024]本发明的另一个技术方案是:
[0025]一种轨道车辆车体结构大部件疲劳试验装置，包括:
[0026]待试验车体结构件；
[0027]模拟装置，用于模拟、计算、分析确定试验加载工况；
[0028]加载装置，用于根据试验加载工况向待试验车体结构件加载；
[0029]检测装置，用于检测待试验车体结构件的各向位移值、关键点的应力值及关键部位焊缝的探伤检测。
[0030]进一步，所述加载装置为多个作动器，多个作动器通过通道与液压作动缸连接，所述作动器与控制电脑连接。
[0031]进一步，所述检测装置包括位移计、贴附于车体被测部位的应变片、渗透检测设备、射线探伤检测设备，所述位移计和应变片与控制电脑连接。
[0032]综上内容，本发明所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法及装置，以不锈钢激光焊车体结构大部件为研究对象，通过仿真分析与试验相结合的方法，快速、准确对侧墙等不锈钢车体结构大部件的焊缝疲劳强度进行试验，操作简易可行，是预测车辆疲劳安全可靠性的重要组成部分，该测试技术的使用，不仅可以提供准确的检测数据，积累大量真实有效的试验数据，同时有利于对车辆疲劳安全可靠性进行分析研究，为车辆疲劳安全可靠性提供有力依据。
【专利附图】
【附图说明】[0033]图1是本发明试验装置结构示意图；
[0034]图2是本发明进行超员载荷工况下的垂直受拉试验时的加载点布置图；
[0035]图3是本发明进行超员载荷工况下的垂直受拉试验时的位移计位置图；
[0036]图4是本发明进行正常工作载荷下的疲劳载荷加载试验时的加载点布置图。
[0037]如图1至图4所示，侧墙1，左窗立柱2，右窗立柱3，窗上横梁4，窗下横梁5，侧墙上边梁6，侧墙下边梁7，门立柱8，侧墙板9，约束支架10，作动器11。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0039]如图1所示，本发明所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验装置，以不锈钢激光焊地铁车体结构件为试验对象进行焊缝疲劳强度的测试，如地铁的侧墙、端墙等大部件，可广泛用于在中国运行的激光焊车体测试。
[0040]本实施例中，以侧墙I作为待试验车体结构件进行测试。侧墙I由左窗立柱2、右窗立柱3、窗上横梁4、窗下横梁5、侧墙上边梁6、侧墙下边梁7、门立柱8及侧墙板9焊接而成，侧墙I为不锈钢材料，各焊缝通过激光焊焊接。
[0041]大部件的疲劳试验在疲劳试验台上完成，试验装直包括待测试的侧墙1、|旲拟装
[0042]置、加载装置及检测装置，模拟装置用于模拟、计算、分析确定试验加载工况，加载装置用于根据试验加载工况向待测试的侧墙I加载，检测装置用于检测侧墙I的各向位移值、关键点的应力值及关键部位焊缝的探伤检测。其中，加载装置采用作动器11，检测装置包括位移计、与侧墙I的待测部位密贴的应变片、渗透检测设备及射线探伤检测设备等，模拟装置是内包含有HyperWorks有限元软件的电脑，检测装置的检测结果传输至电脑内，电脑进行计算、分析及显示。
[0043]在疲劳试验台上共设置22个作动器11，作动器11的加载频率为0.01_10Hz，最大静载荷IOOOkN,作动器11的最大动载荷±500kN，试验台的液压作动缸共设有22个通道，22个通道分别连接22个作动器11，22个通道既可以同时协调加载，也可以分成多组分别控制，独立工作，不互相干扰。
[0044]本发明所述的疲劳试验方法，借助有限元计算分析和试验技术，模拟侧墙I在整车疲劳状态下的试验工况，对其上的关键焊缝部位的疲劳强度进行检测。具体测试方法包括如下步骤:
[0045]一、利用仿真技术确定试验加载工况:
[0046]1、整车的车辆疲劳载荷分为垂向疲劳载荷与横向疲劳载荷两部分。
[0047]垂向疲劳载荷=车辆正常工作状态下的载荷X(1±0.15)Xg;
[0048]横向疲劳载荷=车辆正常工作状态下的载荷X (±0.15) Xg；
[0049]通过以上公式，确定车辆疲劳载荷工况。
[0050]2、依据HyperWorks有限元软件确定试验加载工况。
[0051]2-1、依据以上公式得出的疲劳载荷工况，对激光焊的侧墙I进行有限元建模、计算和分析，记录侧墙I的各向位移值及关键点的应力值。
[0052]仿真计算采用HyperWork软件进行建模分析，模型采用四边形板壳单元进行划分，对于重要部位进行了局部单元细划，激光焊缝用长细比较大的壳单元进行模拟，平均单元长度取20mm，其中，对整体刚度及局部强度有贡献的结构，如左窗立柱2、右窗立柱3、窗上横梁4、窗下横梁5、侧墙上边梁6、侧墙下边梁7、门立柱8等都予以考虑。
[0053]2-2、提起侧墙I有限元模型并进行约束和加载分析，利用递进的方法，使侧墙I的位移和应力与整车计算结果中对应位置侧墙单元的位移和应力保持一致，进而模拟侧墙I在整车疲劳状态下的试验工况，并以此确定焊缝疲劳强度试验时的各点试验加载工况。
[0054]底架是车辆主要的承载部位，侧墙I则起到传递垂向力的作用，在设计侧墙I试验加载工况时，采用递进方法，该递进方法解释为考虑结合现有试验条件，对侧墙上边梁6进行约束，首先调整侧墙下边梁7的加载点位置，找到与整车对应位置侧墙单元变形一致的合适加载点，其次，通过微调各加载点的载荷数值来保证两种状态下的侧墙单元变形和应力的一致性。
[0055]二、对关键焊缝部位的疲劳强度进行检测:
[0056]通过上述仿真技术得出侧墙I各加载点的试验加载工况后，按工况条件对侧墙I各点进行加载，并通过检测装置记录侧墙I各向的位移值和各关键点的应力值，具体包括如下步骤。
[0057]结合现有试验条件，对侧墙上边梁6通过约束支架10进行约束，调整侧墙下边梁7的加载点位置，找到与整车对应位置侧墙单元变形一致的合适加载点，本实施例中，在侧墙下边梁7上设置A、B、C三个加载点，再通过微调各加载点的载荷数值来保证两种状态下的侧墙单元变形和应力的一致性。
[0058]该试验分为两个部分，分别为超员载荷工况下侧墙垂直受拉试验和正常工作载荷下侧墙疲劳载荷加载试验。
[0059]1、如图2所示，侧墙I在超员载荷工况下的垂直受拉试验。
[0060]该步骤中，作动器11的数量为3个，分别在侧墙下边梁7的A，B，C三个加载点位置进行加载，侧墙上边梁5的D位置用约束支架10进行约束，在A，B, C三个加载点400mm范围内施加载荷。A点和C点距离门立柱7的侧边外侧70mm，B点距离左窗立柱2约196mm处，使侧墙I保持在满载荷工况。A，B，C三个加载点的载荷加载方向均为垂直向下，图2中的箭头方向即为加载方向，加载的载荷分别为23.3kN，加载方向与侧墙下边梁7垂直，作动器11的加载频率为5Hz，目标加载次数为200万次。
[0061]试验需要采集侧墙I各向的位移值以及关键部位的应力值，应力值通过贴附于采集点的应变片来(图中未示出)检测，位移值通过设置在采集点的位移计(图中未示出)来检测，位移值和应力值实时传输到接收转化器，接收转化器将位移值和应力值转化为电信号传输至电脑中，电脑对接收到的数据进行实时记录、计算、分析，以确定车体的变形情况。
[0062]位移值采集点的布点位置如图3所示，分别为1、2、3、4点，I点和2点设置在左、右门立柱7上，I点和2点距离侧墙下边梁6的底边均为1200mm，3点和4点设置在窗下横梁4的位置，距离侧墙下边梁6的底边均为900_，在1、2、3、4点处各设置一个位移计。
[0063]应力值采集点的布点位置分别设置在四个门角和四个窗角处，在每个门角和窗角处设置3至4个应变片。此时，采集并查看门角、窗角等高应力区域应力数值是否满足低于屈服应力。
[0064]2、如图4所示，侧墙I在正常工作载荷下的疲劳载荷加载试验。
[0065]在正常工作载荷下的疲劳载荷加载试验的加载位置和载荷值，分两步进行:[0066]第一步，3个作动器11分别设置在侧墙下边梁7的A、B、C三点位置，在加载点400mm范围内施加载荷，侧墙上边梁6的D位置用约束支架10进行约束，A点和B点距离门立柱7的侧边250mm，C点设置在与左窗立柱3对应的位置处。其中，A点和C点的加载方向垂直侧墙下边梁7，从侧墙下边梁7的外侧向侧墙下边梁7施加载荷(即垂直向上的方向)，A点的载荷为20 kN, C点的载荷为35 kN, B点的加载方向垂直侧墙下边梁7，但是从侧墙下边梁7的内侧向外施加载荷(即垂直向下的方向)，B点的载荷为20kN。图4中的箭头方向即为加载方向。
[0067]第二步，侧墙下边梁7的A、B、C加载点增加动态载荷，载荷的幅值在正常工作载荷的±15%范围内同步变化。作动器11的加载频率为5Hz，循环次数为200万次。
[0068]在加载的过程中，位移计和应变片感应车体被测部件的变形，将位移值和应力值实时传输到接收转化器，接收转化器将位移值和应力值转化为电信号传输至电脑中，电脑对接收到的数据进行实时记录、计算、分析，以确定车体的变形情况。
[0069]3、对关键部位的焊缝进行渗透探伤检查。
[0070]对于心不甘激光焊缝的检测利用XXQ2505射线探伤设备，采用射线探伤(RT)无损检测手段检测激光焊缝区域，透照方式采用单壁透照，增感方式前屏:Pb0.03mm 后屏:Pb0.1mm,并且,时间在4~7min时基本的显影条件，15min以上实现定影,试验分别在50万次、100万次、150万次、200万次四个阶段进行检测操作。
[0071]对于门角等高应力区域的焊缝及热影响区域的检测采用渗透探伤方法，执行EN571和EN1289标准，该渗透检测设备以喷涂法为主，检测面白光度≥1000Lx,渗透时间为15min,并留有12min的显像时间。
[0072]试验全部结束。
[0073] 使用该不锈钢激光焊接车体大部件疲劳强度测试技术，可以快速、准确测试不锈钢激光焊车体大部件焊缝疲劳强度，是预测车辆疲劳安全可靠性的重要组成部分，该测试技术的使用，不仅可以积累大量真实有效的数据，同时可以加快现场测试速度，为车辆疲劳安全可靠性提供有力依据。保证车辆稳定和安全的运行。
[0074]如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法，其特征在于，包括: 利用有限元模型仿真技术，模拟待试验车体结构件在整车疲劳状态下的试验工况，并以此确定待试验车体结构件的试验加载工况的步骤； 根据上步骤得出的试验加载工况，对待试验车体结构件施加相应载荷，并对疲劳强度进行检测的步骤。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法，其特征在于:在确定待试验车体结构件的试验加载工况的步骤中，还具体包括如下步骤: 确定车辆疲劳载荷工况； 依据得出的疲劳载荷工况，对待试验车体结构件进行有限元建模、计算和分析，记录待试验车体结构件的各向位移值及关键点应力值，使待试验车体结构件的位移和应力与整车计算结果中对应位置的待试验车体结构件的位移和应力保持一致，并以此确定试验加载工况。
3.根据权利要求2所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法，其特征在于:所述车辆疲劳载荷分为垂向疲劳载荷与横向疲劳载荷两部分，并分别按如下公式确定； 垂向疲劳载荷=车辆正常工作状态下的载荷X (1±0.15) Xg ; 横向疲劳载荷=车辆正常工 作状态下的载荷X (±0.15) Xgo
4.根据权利要求2所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法，其特征在于:在依据疲劳载荷工况确定试验加载工况的步骤中，利用递进的方法对有限元模型进行约束和加载分析。
5.根据权利要求1所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法，其特征在于:在对待试验车体结构件的疲劳强度进行检测的步骤中，还具体包括如下步骤: 根据试验加载工况，确定待试验车体结构件的载荷加载点及数据采集点； 将加载装置和数据采集装置布置在载荷加载点及数据采集点处，对待试验车体结构件施加载荷，同时进行各向位移值及关键点应力值的数据采集； 对关键部位的焊缝进行渗透探伤检测。
6.根据权利要求5所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法，其特征在于:疲劳强度检测包括超员载荷工况下侧墙垂直受拉试验和正常工作载荷下侧墙疲劳载荷加载试验。
7.根据权利要求5所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验方法，其特征在于:所述数据采集装置包括位移计和贴附于车体被测部位的应变片，所述加载装置包括作动器，所述渗透探伤检测采用射线探伤检测及渗透检测，所述位移计、应变片及作动器通过信号线与控制装置连接。
8.—种轨道车辆车体结构大部件疲劳试验装置，其特征在于，包括: 待试验车体结构件； 模拟装置，用于模拟、计算、分析确定试验加载工况； 加载装置，用于根据试验加载工况向待试验车体结构件加载； 检测装置，用于检测待试验车体结构件的各向位移值、关键点的应力值及关键部位焊缝的探伤检测。
9.根据权利要求8所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验装置，其特征在于:所述加载装置为多个作动器，多个作动器通过通道与液压作动缸连接，所述作动器与控制电脑连接。
10.根据权利要求8所述的轨道车辆车体结构大部件疲劳试验装置，其特征在于:所述检测装置包括位移计、贴附于车体被测部位的应变片、渗透检测设备、射线探伤检测设备，所述位移计和应变片与控制电脑连接。
【文档编号】G01N23/04GK103900834SQ201210574755
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月25日 优先权日:2012年12月25日
【发明者】车全伟, 许娇, 田爱琴, 周建乐, 钟元木 申请人:南车青岛四方机车车辆股份有限公司