基于地铁分线箱的疲劳强度分析

李西安，冯笑，牛小伟

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州，450052）

基于地铁分线箱的疲劳强度分析

李西安，冯笑，牛小伟

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州，450052）

以hypermesh软件建立有限元模型，采用ANSYS分析软件对分线箱进行静强度分析，校核分线箱的承载性能；采用ANSYS软件计算出各评估点的最大主应力，依据Miner理论和BS标准中对应的S-N曲线上的循环次数，求出各评估点的累积损伤比均小于1，箱体结构满足疲劳强度设计要求。

有限元；BS标准；静强度；疲劳强度

前言

1 分线箱有限元静强度分析

1.1 分线箱结构介绍

分线箱是有方钢和薄钢板焊接而成，各种电气元件有螺栓连接于箱体安装板上。箱体材料为5.3mm和2mm厚的06Cr19Ni10钢，分线箱吊装结构重量35Kg。分线箱吊装组成以及与车体连接的部位参见图1。

图1 分线箱吊装结构

1.2 材料性能

箱体采用06Cr19Ni10材料，按《机械设计手册》取材料参考性能如表1

表1 地铁分线箱吊装部件的材料性能参数（应力单位：MPa）

1.3模型建立与约束条件

分线箱属于非对称结构，为了准备模拟结构的受力情况，取整体结构建立有限元模型，箱体内的电子元件以质量点的形式附加于箱体内，箱体有限元模型构成以任意四节点等参薄壳单元为主，与板单元相比，壳单元由于结合考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，因此，其具有更高的计算精度。采用shell63壳单元对箱体进行单元离散，模型中节点总数为70650，单元总数为70230。有限元模型如图2。箱体通过2个螺栓安装孔和4个法兰端面与车体连接，连接处视为无相对位移（纵向、横向、垂向），约束部位为6个自由度。

图2 箱体有限元模型

1.4 静强度计算工况

图4为逆变器供电时A相电流频谱图。由图4可知,逆变器供电时,PMSM的定子电流谐波分两个部分,一方面,在(6k±1)次谐波处辐值较大,如5次、7次、11次等;另一方面,在开关频率(10 kHz)附近有幅值较大的谐波电流。

箱体的计算载荷工况按照EN6137施加，考虑到箱体质量以及电子元件在惯性力作用下的受力情况，并结合铁路标准和实际运行状况提取5种计算载荷工况：

工况1:自重+垂向惯性力(3Mg,含自重)

工况2:自重+横向惯性力(3Mg)

工况3:自重+横向惯性力(-3Mg)

工况4:自重+纵向惯性力(5Mg)

工况5:自重+纵向惯性力(-5Mg)

1.5 箱体静强度计算结果及分析

根据以上边界条件、计算载荷工况以及材料参数属性确立能反映实际结构的有限元力学模型，通过箱体有限元计算结果分析可知：第4工况下的等效应力最大，如图3应力云图所示，最大值为20.2MPa，发生在箱体侧面薄钢板圆孔处；如表2所示：各工况下的最大等效应力值均小于材料的屈服强度205MPa，满足箱体结果静强度设计要求。

图3 工况4下的应力分布云图

表2 不同工况下的静强度计算结果

2 分线箱疲劳强度分析

疲劳寿命分析方法有裂纹萌生发、裂纹扩展法以及名义应力法，而名义应力法使用于低应力高周期疲劳寿命的分析。地铁车辆上的悬挂设备在工作中的变形状态基本上在低应力高周期疲劳状态，所以才用名义应力法对分线箱进行疲劳强度分析。

2.1 Miner疲劳累计损伤理论

Miner理论认为材料的疲劳损伤主要是受循环载荷的连续作用而产生的是一个累计叠加的过程，疲劳损失累积达到破坏时吸收的净功W和加载历程无关，并且材料的疲劳损伤程度与应力循环次数成正比。假设材料达到破坏时，在某一等级应力下的应力循环次数为N1、经n1次应力循环而产生疲劳损伤吸收的净功为W1，根据Miner理论，有：

则在i个应力水平级别下分别对应n1次应力循环时，材料疲劳累积损伤为：

上式中，n1表示第i级应力水平下经过的应力循环数；Ni表示第i级应力水平下的达到破坏时的应力循环数。有（2）式可知：D＞1则可认为该点疲劳评估失效，D＜1则可认为该点的损伤比满足结构的抗疲劳强度设计要求。

2.2 BS标准

2.2.1 BS标准的疲劳评估基本技术思路：

2.2.2 S-N曲线

S-N曲线是双斜率曲线，其拐点处对应的循环次数N=107为了提高计算精度应把N＞1的低应力疲劳损伤纳入计算，其原因是较大的应力范围引起缺陷增长，迫使非扩展部分应力下降，导致疲劳评估结果比实际预测结果失效过早。BS标准发展至今理论也相当完善，对待测评估点只需从BS标准中选择相应的S-N曲线。计算损伤比n/N，其公式是:

式（3）和（4）中，n为待评估点应力变化范围Sr发生的次数；S0为该评估点所在接头的S-N曲线拐点上的应力范围。m为S-N曲线斜率。

2.2.3 BS标准疲劳强度分析

对箱体的疲劳强度评估重点分析三种疲劳载荷工况，分别是垂向载荷△0.3g×M、横向载荷△0.3g× M以及纵向载荷△0.4g×M；约束条件是螺栓连接处和法兰端面连接处为完全约束；考虑到箱体属于低应力高周期振动体，选循环次数为107作为计算参数，根据评估点的受力特点确定母材和焊接接头的疲劳强度等级，分别是C级和D级。通过ANSYS分析软件提取出不同工况下的最大主应力值，选S-N曲线对应的焊点达到破坏时的应力循环次数，最后根据Miner理论求出各工况的疲劳损伤值。箱体的疲劳薄弱位置如下图所示。

图4 工况1下箱体的最大主应力云图

图5 工况2下箱体的最大主应力云图

图6 工况3下箱体的最大主应力云图

表3 各评估点在不同工况下的疲劳分析结果

由表3可知：箱体的薄弱位置发生在焊缝区域、受力集中区域以及钢板振动位移较大区域，各评估点最大主应力均小于疲劳许用值，各评估点的疲劳损伤远远小于1，从产品设计角度可知，箱体不发生疲劳失效，符合箱体预先疲劳设计要求。

3 结论

本文借助Hypermesh建模软件和ANSYS分析软件对分线箱进行了疲劳强度分析，通过箱体静强度分析可知：第4计算工况下的等效应力值最大，发生在钢板振动最剧烈的圆孔处，通过统计分析，各工况的等效应力均小于材料屈服强度的许用值；通过疲劳强度分析可知：各评估点在不同工况下的最大主应力均小于许用值，各点的累积损伤比也小于1，箱体符合疲劳寿命设计要求，为箱体的正常使用提供可靠的数值分析依据。

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Fatigue Strength Analysis Based on Branch Box of the Railway

LI Xi-an,FENGXiao,NIUXiao-wei
(ZhengZhou RailwayVocational&Technical College,Zhengzhou450052，Henan)

Using Hypermesh software and analyzing static strength of the coupling box by using ANSYS,this paper establishes the finite element model software and checks the bearing capacity of the box.The maximum principal of the evaluation point is calculated byusingANSYSsoftware.The ratioofcumulative damage ofthe everyevaluation point is less than 1 based on the theoryof Miner and the cycle-index on the s-n curve corresponded to BS standard.The box structure satisfies the requirement of fatigue strength design.

finite element,BSstandard,static Strength,fatigue strength

U231.6

A

1671-5004（2016）04-0006-03

2016-5-25

李西安（1989-），男，河南郑州人，郑州铁路职业技术学院助教，研究方向：结构可靠性分析。