技术贴 | 测试与仿真相结合的车体剩余寿命评估方案
背景地铁车辆最初设计寿命通常为35~40年，但由于列车生产制造质量和运营中的实际载荷与设计预期存在出入，列车实际寿命可能会达不到设计要求。为保障运营安全，节约运维成本，对列车当前状态评估、剩余寿命预测与延寿方案提出显得尤为重要。本文将介绍一种试验与仿真相结合的列车寿命评估方法。
寿命计算原理
根据测试与仿真结果将车体寿命由设计寿命推演至实际服役寿命，具体推演过程可见以下示意公式：
式中，Tact 为车体实际服役寿命，Tdesign 为车体设计寿命，C1 为设计裕量，C2 为制造裕量，C3 为机械荷载裕量。
其中，C1 可通过在列车有限元模型上施加名义载荷，并对比结构应力集中处与材料、机械界面如焊缝，螺栓，铆钉等处名义强度极限的最大应力获得；C2 可通过对整个车体（转向架）的物理观测与无损检测对焊缝质量进行评估；C3 可通过评估具有代表性的列车其运行工况下的载荷，并与列车设计时使用的名义载荷进行对比获得。
技术方案
本文介绍列车剩余寿命评估方法共分四步：设计可靠性分析；加工制造质量与结构目前状态分析；实际载荷与设计载荷对比；剩余寿命计算、潜在加强措施与运维策略提出。
步骤1-设计可靠性分析
以VibraTec针对某款运营时间已达40年的地铁线路进行的分析为例，首先基于CAD图纸建立整车详细的仿真模型，并给予EN12663标准中给出的载荷对列车进行应力与疲劳评估。通过计算所得每项载荷工况的累计损伤，识别列车全部易发生疲劳损伤的敏感区域。
图1 应力分析计算结果图2 车体已发生疲劳损伤敏感区域示意
步骤二-加工制造质量与结构目前状态评估
该阶段的主要任务是确定列车加工制造质量与结构目前状态，通过相关测量、无损探伤等方法对列车进行检测，观测列车是否存在加工制造与设计不符之处，如漏焊、缺焊等。并在仿真分析识别到的相关位置处进行无损探伤，识别潜在裂痕，根据发展程度评估严重程度，根据观测更新焊接等级。
步骤三-实际载荷VS设计载荷
针对步骤一中识别出的仿真风险点进行在线测试，将基于实测数据分析得到的列车风险位置实际载荷情况与设计时使用的载荷标准对照，并基于试验数据，对列车仿真模型进行校准与更新。通过本步骤中的工作，在下一步中可使用校准后可靠的数字模型预测结构的剩余寿命。
图3 在线测试数据示意
根据测试时的使用的GPS传感器，可对应力事件进行定位，为运营商对异常轨道区段进行相应的维护工作提供建议。
图4 应力事件在线路上的映射
步骤四-剩余寿命计算、潜在加强措施与运维策略提出
列车剩余寿命基于步骤三中实测数据与校准后的数值模型仿真计算得出。剩余寿命的评估考虑了使用不同的假设，并会结合运营商的运营计划给出响应的剩余寿命计算结果。在根据分析发现的剩余寿命较低的区域，将提出强化方案，并通过仿真分析验证强化方案的可行性与改进效果。
图5 结构强化前后应力状况对比
通过列车测试相关数据（应变、加速度等）可对列车异常动力学响应，例如列车在特定载荷工况下产生共振等现象进行研究，并提出相应解决方案。
图6 列车局部异常振动示意
来源：轨道交通振动噪声技术微信公众号（ID：gh_94346da0cfda），作者：懿朵科技。
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