即将直播：铁路货车全尺寸车体虚拟试验与仿真（12月8日）

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：自11月22日轨道交通技术交流系列讲座开播以来，已获得了轨道交通行业研发工程师和理工科学子的好评。报名累计观看次数突破1500次，未来还将持续增加。目前，前3期直播在仿真秀官网和APP支持回放，感兴趣的朋友可以点击下方链接回放。

12月8日19时30分，2022轨道交通技术交流月第四期讲座《铁路货车车体虚拟试验应用》如期将至，感兴趣的朋友可以提前报名，以下是正文：

一、铁路货车全尺寸车体疲劳试验

针对铁路货车核心承载结构的全尺寸车体的全寿命周期的抗疲劳性能的评价而言，由于缺少大型试验装备，无法完善适于我国应用的相关评估标准，在一定程度上制约了疲劳可靠性技术与轻量化技术的进一步协同发展。

图1 铁路货车整车示意图

基于此，为适应中国铁路货车的技术发展方向，中车齐齐哈尔公司申请了“铁路货车车体疲劳与整车振动试验台”建设项目，于2012年全面建成了并投入使用，集全尺寸铁路货车车体疲劳、铁路货车整车振动和转向架参数测定等功能于一体的“铁路货车车体疲劳与整车振动试验台”。该试验台具有一流的加载能力及控制精度，试验台的投入使用为开展相关领域的研究工作创造了必要条件。

全尺寸车体疲劳试验台主要由液压控制系统、机械传动控制系统、安全保护及监控系统、测试信号采集与处理系统、工装配套设施等组成。车钩一端有纵向加载杆，另一端是纵向约束装置。车体的横向激振来自于摇枕的横向作动器，车体的垂向和侧滚振动来自于摇枕左右两侧的垂向位移控制器，另外在摇枕两侧纵向安装有纵向作动器，控制摇枕的纵向振动和摇头振动。疲劳试验台的结构如图2所示。

图2 铁路货车车体疲劳试验台示意图

2012年后，相继开展了全尺寸铁路货车车体疲劳试验、整车振动试验方法研究、车辆模态试验与仿真方法研究等大量的工程应用，解决了多种产品的技术问题，有力促进了公司科研水平的进一步提升。

鉴于试验的滞后性、成本高、周期长等特点，为了进一步将其与设计阶段建立联系，需要建立试验与仿真分析的机制，通过仿真手段将试验成果引入到前端设计。

传统的轨道车辆车体的疲劳仿真评估往往将车体单独隔离出来，参照AAR或TB标准确定重载敞车的计算载荷工况，客车采用EN12663标准中的计算载荷工况，这种隔离体的方法由于边界条件与试验和线路运行存在不同，较难与动态试验结果形成对应关系。需要引入新的试验仿真方法。

二、铁路货车全尺寸车体虚拟试验

针对大系统仿真分析方法与试验结果出现偏差问题，为了补充试验边界差异，在仿真中引入试验台架，以车体子系统为仿真对象，辅助于模拟台架的试验数据，建立了实物台架和车体组成多体仿真模型，实现了车体线路动态响应的仿真计算，结果表明：摇枕垂、横向加速度响应结果仿真与试验RMS（root mean square）误差最大值为9%。在1.5～15.0Hz主要频率段，车体枕梁垂、横向振动加速度的试验结果和仿真结果的RMS误差低于8.57%，车体关键焊缝仿真与试验的动应力响应波形基本一致。通过与试验结果的对比验证，仿真结果基本反映了车体在实际线路运行时的动态响应情况。

图3 虚拟试验台架示意图

一方面，铁路货车全尺寸车体疲劳试验台架是悬浮式动态试验系统，而且具有多自由度耦合的问题，如何将试验获得驱动文件作为仿真的输入是一个很头疼的问题。另一方面，将试验台按多体系统如何区分刚体和柔性体、车体怎么建模等才能与实际吻合的更好，关于这些问题都将会在12月8日进行直播时进行详细介绍，详情见后文。

三、疲劳仿真评估

铁路货车车体是由焊接结构组成，涉及的也是焊接结构的疲劳评估方法。

虚拟试验动态计算后，可以很容易采用名义应力法完成疲劳评估，但是由于铁路货车尺寸大，焊接接头结构的复杂性，在标准中很难找到对应的结构形式，计算结果容易受网格大小和S-N曲线选取差异等问题影响。

除了名义应力法外，还有热点应力法、缺口应力法和董平莎教授提出的结构应力法可以选择。其中董平莎教授提出的结构应力法具有网格不敏感性，已经纳入到ASME标准中，具有较高的工程适用性。

每个团队在都有自己较为拿手的方法，我们采用将主S-N曲线法引入到铁路货车虚拟台架试验中。首先，使用实物台架的试验数据进行虚拟试验，获得车体的载荷输入，保证了载荷输入的准确性；其次，鉴于目前主S-N曲线法为准静态的计算流程，提取了虚拟试验后的车体心盘、旁承和车钩载荷，根据损伤等效原则构建成典型工况的载荷谱，使用主S-N曲线的计算流程进行车体焊缝部位的寿命计算。