CN107330166B - 铁路货车车体疲劳试验的虚拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁路货车车体疲劳试验的虚拟试验方法，包括：步骤S1：建立铁路货车车体模型；步骤S2：建立连接结构模型；步骤S3：建立试验台模型：步骤S4：获取试验台在实际运行中的驱动信号，并将驱动信号加载至试验台模型中。本发明的技术方案解决了现有技术中的铁路货车车体虚拟疲劳试验结果与铁路货车车体实际疲劳试验结果差距较大的问题。

Description

铁路货车车体疲劳试验的虚拟试验方法

技术领域

本发明涉及铁路货车试验装配，具体而言，涉及一种铁路货车车体疲劳试验的虚拟试验方法。

背景技术

铁路货车整车疲劳与振动试验台建立以前，对于全尺寸铁路货车车体结构疲劳可靠性研究主要侧重在仿真分析领域(简称CAE技术)，影响仿真分析精度因素主要为外部载荷和模型本身精度两个因素。铁路货车的仿真分析载荷谱通常采用美国AAR机务标准手册，这与实际线路载荷谱存在一定的差异。近年来，虽然通过重载列车线路测试，参照AAR机务标准，编制了我国的线路载荷谱，但在模型分析上将车体隔离出来，将载荷谱加载到心盘、旁承和车钩等连接部位，边界处理上具有一定的假设和不确定性，所以评估结果也与实际存在一定差异。全尺寸车体模型现阶段修正方法还主要依靠静态分析手段，没有考虑铁路货车车体的模态参与效应。综上所述，虽然铁路货车车体设计阶段虽然采用了CAE分析，但产品运用过程中还是会产生不同程度的结构疲劳失效。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铁路货车车体疲劳试验的虚拟试验方法，以解决现有技术中的铁路货车车体虚拟疲劳试验结果与铁路货车车体实际疲劳试验结果差距较大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种铁路货车车体疲劳试验的试验方法，包括：步骤S1：建立铁路货车车体模型；步骤S2：建立铁路货车摇枕模型；步骤S3：建立试验台模型：步骤S4：获取试验台在实际运行中的驱动信号，并将驱动信号加载至试验台模型中。

进一步地，铁路货车车体包括底架、侧墙和端墙，步骤S1包括：步骤S11：建立底架、侧墙和端墙的三维模型。

进一步地，步骤S1还包括：步骤S12：建立货物模型。

进一步地，步骤S12包括：步骤S121：向底架施加载荷，并根据底架的表面形状调整载荷的分布。

进一步地，摇枕包括心盘和旁承，步骤S2包括：步骤S21：建立心盘和旁承的三维模型。

进一步地，步骤S2还包括：步骤S22：在心盘的边缘处建立多个第一弹簧模型，在旁承的边缘处建立多个第二弹簧模型。

进一步地，第一弹簧模型为单边弹簧模型，第二弹簧模型为单边弹簧模型或者变刚度弹簧模型。

进一步地，步骤S3包括：步骤S31：建立试验台的三维模型，并定义试验台的各部件的力学参数。

进一步地，试验台上设置有多个驱动缸，步骤S4包括：步骤S41：将驱动信号中的驱动缸位移传感器反馈信号加载至试验台模型中。

进一步地，步骤S4还包括：步骤S42：将驱动缸位移传感器反馈信号中的起车信号去除后加载至试验台模型中。

应用本发明的技术方案，通过建立试验台模型，将铁路货车车体模型和摇枕模型与试验台进行配合，并将驱动信号加载至试验台模型上进行模拟试验。上述的试验方法使得模拟试验更加贴近实际试验结果，从而减小模拟试验与实际试验之间的差距。因此本发明的技术方案解决了现有技术中的铁路货车车体虚拟疲劳试验结果与铁路货车车体实际疲劳试验结果差距较大的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的铁路货车车体虚拟疲劳试验的实施例的试验台的结构示意图；

图2示出了图1中试验台的受力加载的示意图；

图3示出了图1中试验台的侧视示意图；

图4示出了图3中试验台的受力加载的示意图；

图5示出了图1中铁路货车的心盘的简化模型示意图；

图6示出了图1中铁路货车车体虚拟疲劳试验的试验台模型和车体模型的结构示意图；

图7示出了图6中试验台模型和车体模型的另一个角度的结构示意图；

图8示出了根据本发明的铁路货车车体疲劳试验的枕梁振动加速度参数的虚拟试验结果与实物测试结果的对比示意图；以及

图9示出了根据本发明的铁路货车车体疲劳试验的动应变参数的虚拟试验结果与实物测试结果的对比示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、试验台；20、铁路货车车体；30、摇枕；31、心盘；311、第一弹簧模型；32、旁承。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

铁路货车车体疲劳与整车振动试验台建成后，成为评估全尺寸铁路货车车体疲劳寿命的重要试验手段，更为仿真分析提供了全新虚拟试验手段。本发明提出在传统的CAE技术上建立虚拟试验台架，并将线路实测动态响应数据经过实物试验台迭代生成的油缸驱动文件作为虚拟仿真的输入加载到虚拟试验台架上，实现了虚拟再现铁路货车车体的线路状态。采用车体疲劳试验台进行激励获得车体模态数据，用来修正车体模型，使车体模型更为准确。通过内因、外因共同处理，使仿真结果与车体疲劳试验结果更具有可比性，使理论与试验相互指导、相互补充。

目前，铁路货车领域虚拟试验方法是将全尺寸车体从试验系统中隔离出来，将AAR载荷谱直接施加到心盘、旁承及车钩部位，采用准静态计算流程完成虚拟疲劳试验计算。

传统技术采用的截面法进行虚拟疲劳试验分析，在试验台架与车体连接处将系统分为两个部分，并把弃去的试验台架部分对留下车体部分的作用通过连接处的内力替代。必须指出，实物试验时心盘、旁承部位载荷传递比较复杂，仅通过引入内力考虑台架的影响来完成虚拟仿真，这可能与实物试验系统存在较大差异，是实物试验与虚拟试验结果存在差异的根本原因。另一方面，作用在车体上的内力较难通过试验手段获得，而实物试验的激励源位于作动器的油缸处，若不考虑试验台架就没办法将试验数据加载到虚拟试验系统中，导致实物试验与虚拟试验不可能在相同激励下进行试验，无法完成实物试验与虚拟试验的对比。为了解决上述问题，本申请提供了一种铁路货车车体疲劳试验的虚拟试验方法，具体如下：

如图1至图4所述，本实施例的铁路货车车体虚拟疲劳试验的试验方法包括：

步骤S1：建立铁路货车车体模型；

步骤S2：建立铁路货车连接结构模型；

步骤S3：建立试验台模型：

步骤S4：获取试验台10在实际运行中的驱动信号，并将驱动信号加载至试验台模型中。

应用本实施例的技术方案，通过建立试验台模型，将铁路货车车体模型和摇枕模型与试验台进行配合，并将驱动信号加载至试验台模型上进行模拟试验。上述的试验方法使得模拟试验更加贴近实际试验结果，从而减小模拟试验与实际试验之间的差距。因此本实施例的技术方案解决了现有技术中的铁路货车车体虚拟疲劳试验结果与铁路货车车体疲劳实际试验结果差距较大的问题。

在本实施例的技术方案中：虚拟车体包括车体模型和货物模型两个部分。其中，铁路货车车体20包括底架、侧墙和端墙。步骤S1包括：步骤S11：建立底架、侧墙和端墙的三维模型。

具体地，铁路货车车体主要有底架、侧墙和端墙组成，可将钢结构离散成薄壳元(Thin-shell)单元。传统上采用基于静态试验结果修正模型，近期研究中发现，仅采用静态试验结果只能修正某几阶振型，易造成模型修正的遗漏，需要通过模态试验结果进行修正。车体质量较大，特别是装载后，质量更大，采用传统的激振器激励无法实现模态测试，本发明采用铁路货车车体疲劳试验台架作为激励源，进行模态测试，进行模型修正。

进一步地，步骤S1还包括：步骤S12：建立货物模型。具体地，货物模型的建立是建立虚拟重载车体的难点，近年来，提出了多种形式铁路散粒货物的简化方式，其中包括修正D-P模型描述散粒的本构模型。采用铁路货车车体疲劳与振动试验台对压实煤和松散煤分别进行了模态试验，结果表明，煤炭的松实状态对车体刚体模态和弹性体频率很小，对车体刚度没有实质性的改变。故本发明提出了将散粒煤作为质量单元施加到地板上来模拟货物。

因此，步骤S12包括：步骤S121：向底架施加载荷，并根据底架的表面形状调整载荷的分布。

本实施例中，在建立货物模型时，直接向抵接施加载荷，而不考虑货物对侧墙和端墙的影响。同时，根据底架的表面形状的不同对载荷的分布进行调整，从而模拟货物装载至铁路货车车体20内的情况。

如图2和图3所示，在本实施例的技术方案中，连接结构30包括心盘31和旁承32。具体，连接结构30指的是铁路货车车体20和试验台10之间的连接件。步骤S2包括：步骤S21：建立心盘31和旁承32的三维模型。刚柔耦合接口的处理是建立虚拟试验台10的关键技术，试验台10通过模拟连接结构30上的心盘31和旁承32与铁路货车车体20进行连接。传统方法采用干摩擦力矩模型，并考虑心盘31间隙进行心盘建模。采用变刚度弹簧、考虑旁承面摩擦和旁承间隙进行旁承建模。本发明考虑到试验台架主要传递垂、横向载荷，不模拟曲线蛇形、道岔等工况，故常接触旁承32基本无摩擦力影响。同时试验中发现，由于心盘31间隙的存在加大了系统非线性，极大的影响迭代精度，故取消心盘垫，重新设计下心盘，并减少心盘31间隙，所以建模时不需要考虑心盘31间隙的影响。

因此，在本实施例中，步骤S2还包括：步骤S22：在心盘31的边缘处建立多个第一弹簧模型311，在旁承32的边缘处建立多个第二弹簧模型。并且优选地，如图5所示，第一弹簧模型311为单边弹簧模型，第二弹簧模型为单边弹簧模型或者变刚度弹簧模型。进一步地，心盘31的横截面为圆形，第一弹簧模型311均为上下方向放置。本实施例中的单边弹簧模型为：当对弹簧进行压缩时，弹簧提供相应的回复力，但是当对弹簧进行拉伸时，弹簧不提供回复力。旁承32的横截面为方形，其建模方式与心盘31相同。

在本实施例的技术方案中，步骤S3包括：步骤S31：建立试验台10的三维模型，并定义试验台10的各部件的力学参数。具体地，车体疲劳试验台包含2个模拟摇枕，每个模拟摇枕的下部装有4个空气弹簧支承装置、2套垂向液压作动器、1套横向作动器和2个纵向作动器。在车体疲劳试验台的一端设有一个3500KN的纵向车钩力作动器，以模拟加载车钩力。虚拟台架机械系统建模的算法原理基于多体动力学理论基础，以Adams为软件平台，导入试验台架的CAD模型，CAD模型与实物构件尽量保持一致，并定义各部件的惯性(通过几何尺寸计算)及力学参数，确定各部件之间的运动约束关系(作动器油缸和球铰等相对运动部件间的表面光滑及存在液压油，故系统中存在的微小摩擦及间隙可忽略不计)。

在本实施例中，由于铁路货车车体疲劳试验台是悬浮式试验台架，这一点不同于汽车领域试验台及部件疲劳试验台。如图1至图4可以看到，台架的每个模拟摇枕上有2个垂向、1个横向和2个纵向作动器(耦合控制)，同时模拟摇枕还需要车体作为约束才能保持在工作位(悬浮状态)，当作动器施加随机信号时，模拟摇枕的振动状态极为复杂，并非直接把迭代生成的驱动文件加载到虚拟油缸上就能完成虚拟试验。因此，本实施例中对从试验台10中获得的驱动文件进行了以下的优化和处理：

首先，由于实物试验台架是通过试验台架迭代完成了“线路模拟试验”，生成了控制信号，即7通道的油缸驱动文件。因此生成信号的过程包含复杂的控制系统、液压系统和机械系统传递过程。本发明的虚拟试验台可仅建立机械系统模型，因此仅将与控制信号相应的机械系统的油缸位移传感器反馈信号作为输入，进而能够弥补控制系统和液压系统造成的相位滞后影响。

其次，试验台在实际测试中包括起车工序，具体地，起车工序中试验台起到工作位(进入悬浮状态)，这是一种动平衡状态，油缸位移传感器反馈信号记录有这一过程。而本实施例中的虚拟试验模型直接在工作位建模，故应该把驱动文件中包含起车的信息全部删除掉，再作为仿真模型的输入。

因此，根据上述优化过程，在本实施例的技术方案中，试验台10上设置有多个驱动缸，步骤S4包括：

步骤S41：将驱动信号中的驱动缸位移传感器反馈信号加载至试验台模型中。

步骤S42：将驱动缸位移传感器反馈信号中的起车信号去除后加载至试验台模型中。

根据上述描述，本申请的铁路货车虚拟疲劳试验具有以下特点：

本申请具体实施实例为铁路货车车体疲劳试验台架系统模型，虚拟机械系统与实物试验的机械系统传递关系一致。系统包含26个相对自由度，包含：189个移动部件(包含刚性车体)，1个圆柱副，32个球铰，10个滑移副，155个固定约束、8个点线约束和12个位移驱动。进一步地，样车采用的是C70E敞车车体。将虚拟车体与虚拟台架进行装配，进行装配体模态分析，结果如表1中所示，模态仿真及模态试验结果吻合较好。

表1基于多体系统的模态试验结果与仿真结果对比

根据本发明提供的虚拟试验方法，将试验驱动文件施加给虚拟试验台，可以快速和准确获得整车的车体振动加速度和车体动应力分布。建模后的试验台模型和车体模型如图6和图7所示。下面是采用该方法对国内某通用线路进行虚拟试验，虚拟试验结果与实物试验结果对比见图8、图9。其中，图8中示出了枕梁振动加速度参数的虚拟试验结果与实物测试结果的对比。图9中示出了动应变参数的虚拟试验结果与实物测试结果的对比。从图8和图9可以看到，虚拟试验的试验结果和实物试验的试验结果较为吻合，也即虚拟试验的试验结果较为接近实物测试结果。

进一步地，虚拟试验台架还具有其它方面的扩展功能，例如特殊工况。当考虑到特殊工况在车辆疲劳损伤中可能起作用时，而物理试验台架在试验上又存在一定的困难，可利用虚拟试验台架具有加载的方便、费用少的特点，进行虚拟特殊工况模拟，进一步将线路运动工况试验结果与特殊工况结果结合，综合考虑车体的疲劳损伤的影响因素。

同时，虚拟试验台架提供与物理试验一致的加载方式和约束等边界条件，使改进方案的验证更具有可比性，使成本节约更具有意义。

本发明依托铁路货车车体疲劳试验台力学原理，建立一套虚拟车体疲劳试验方法，虚拟试验与实物试验具有相同的台架和样车，二者共享驱动文件。弥补设计前期由于没有样机，无法完成车体疲劳试验，同时基于虚拟试验扩展试验台功能，大幅度节约成本，降低研发周期。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铁路货车车体疲劳试验的虚拟试验方法，其特征在于，包括：

步骤S1：建立铁路货车车体模型；

步骤S2：建立连接结构模型；

步骤S3：建立试验台模型，所述铁路货车车体模型和所述试验台模型通过所述连接结构模型连接在一起：

步骤S4：获取试验台(10)在实际运行中的驱动信号，并将所述驱动信号加载至所述试验台模型中；

所述步骤S3包括：

步骤S31：建立所述试验台(10)的三维模型，并定义所述试验台(10)的各部件的力学参数，车体疲劳试验台包含2个模拟摇枕，每个模拟摇枕的下部装有4个空气弹簧支承装置、2套垂向液压作动器、1套横向作动器和2个纵向作动器，在车体疲劳试验台的一端设有一个3500KN的纵向车钩力作动器，以模拟加载车钩力，虚拟台架机械系统建模的算法原理基于多体动力学理论基础，以Adams为软件平台，导入试验台架的CAD模型，CAD模型与实物构件保持一致，并定义各部件的惯性及力学参数，确定各部件之间的运动约束关系；

所述试验台(10)上设置有多个驱动缸，所述步骤S4包括：

步骤S41：将所述驱动信号中的驱动缸位移传感器反馈信号加载至所述试验台模型中；

所述步骤S4还包括：

步骤S42：将所述驱动缸位移传感器反馈信号中的起车信号去除后加载至所述试验台模型中。

2.根据权利要求1所述的虚拟试验方法，其特征在于，所述铁路货车车体(20)包括底架、侧墙和端墙，所述步骤S1包括：

步骤S11：建立所述底架、所述侧墙和所述端墙的三维模型。

3.根据权利要求2所述的虚拟试验方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

步骤S12：建立货物模型。

4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S12包括：

步骤S121：向所述底架施加载荷，并根据所述底架的表面形状调整所述载荷的分布。

5.根据权利要求1所述的虚拟试验方法，其特征在于，连接结构(30)包括心盘(31)和旁承(32)，所述步骤S2包括：

步骤S21：建立所述心盘(31)和所述旁承(32)的三维模型。

6.根据权利要求5所述的虚拟试验方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

步骤S22：在所述心盘(31)的边缘处建立多个第一弹簧模型(311)，在所述旁承(32)的边缘处建立多个第二弹簧模型。

7.根据权利要求6所述的虚拟试验方法，其特征在于，所述第一弹簧模型(311)为单边弹簧模型，所述第二弹簧模型为单边弹簧模型或者变刚度弹簧模型。

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