火車轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度

1、 前 言一、動(dòng)車招標(biāo)技術(shù)條件計(jì)算資料需求 車體強(qiáng)度計(jì)算 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及彈簧的強(qiáng)度計(jì)算 各懸掛件的固結(jié)強(qiáng)度計(jì)算 輪軸強(qiáng)度計(jì)算 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、性能計(jì)算 二、動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架 構(gòu)架的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 前 言（1）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基本截面設(shè)計(jì) 確認(rèn)載荷條件 前 言（1）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基本截面設(shè)計(jì) 基本截面設(shè)計(jì) 有原型車的情況 前 言抗彎截面系數(shù) （1）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基本截面設(shè)計(jì) 基本截面設(shè)計(jì) 沒有基礎(chǔ)車種的情況 前 言根據(jù)材料力學(xué)，根據(jù)等截面的簡支梁進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算，設(shè)計(jì)截面。即，根據(jù)以下所示模型，估算承擔(dān)垂直載荷的彎曲應(yīng)力。彎曲應(yīng)力估算模型二、動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架 構(gòu)架的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 前 言 前 言（2）強(qiáng)度驗(yàn)證(FEA) 驗(yàn)證準(zhǔn)則 有

2、限元分析(FEA) 評估結(jié)果 CAE/CAD交互一體化框圖最后設(shè)計(jì)CAD(Pro/E,Ug, etc.)滿足設(shè)計(jì)參量？（強(qiáng)度準(zhǔn)則、溫度范圍等）將模型傳入CAE ANSYS,NASTRAN,MARC幾何建模CAD Pro/E,Ug, etc進(jìn)行建模和分析CA E ANSYS,NASTRAN,MARC 設(shè)置設(shè)計(jì)變量CADPro/E,Ug, etc.是否 有限元法 有限元法是當(dāng)前科學(xué)和工程問題數(shù)值分析方法中最有效的工具，是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用的分析方法。 有限元法的基本思想：將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。離散連續(xù)域 有限元計(jì)算特點(diǎn)是把整個(gè)連續(xù)的物體看作是

3、若干個(gè)簡單的由有限個(gè)單元組成的集合體，通過對各個(gè)單元的特性分析，以及考慮每個(gè)單元在整體結(jié)構(gòu)中相互聯(lián)系的特征，將離散化模型變成代數(shù)方程式，采用數(shù)值方法求解這些代數(shù)方程，從而成功計(jì)算出物體各處的應(yīng)力和位移。 有限元法 有限元控制方程大型通用商業(yè)軟件:ANSYSMFC_PATRAN/NASTRAN、 MFC_ MARCABAQUS 有限元法 節(jié)點(diǎn)單元有限元模型真實(shí)系統(tǒng) 有限元模型由一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定的載荷。 有限元法 有限元模型真實(shí)系統(tǒng)-高速列車單元、節(jié)點(diǎn)真實(shí)系統(tǒng)汽車有限元模型單元、節(jié)點(diǎn)真實(shí)系統(tǒng)軸箱座有限元模型單元、節(jié)點(diǎn)有限元方法分析的一般步驟與應(yīng)用領(lǐng)域(1)一

4、般步驟前處理有限元計(jì)算后處理幾何建模：點(diǎn)、線、 面、體FEA建模：設(shè)定單元類型、材料類型、網(wǎng)格劃分、位移約束、載荷 根據(jù)各學(xué)科理論的基本變量、方程，通過有限元法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析、振動(dòng)分析、熱傳導(dǎo)、電磁場分析等等 得出位移、應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度、磁場強(qiáng)度等數(shù)值結(jié)果或圖形 (2) 有限元方法的應(yīng)用 模態(tài)分析：分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型； 瞬態(tài)動(dòng)力分析：計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)； 應(yīng)力分析：包括桁架、梁、板殼以及各種 形狀復(fù)雜的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)；典型的結(jié)構(gòu)問題 有限元方法分析的一般步驟與應(yīng)用領(lǐng)域 (2) 有限元方法的應(yīng)用 流體流動(dòng)：層流與湍流； 電磁場分析：電場、磁場； 熱傳導(dǎo)： 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)；非結(jié)構(gòu)問題 此外，

5、一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域是生物力學(xué)工程領(lǐng)域有限元方法分析的一般步驟與應(yīng)用領(lǐng)域有限元方法分析的一般步驟與應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)斗機(jī)：280萬單元超音速飛行壓力分布船舶行業(yè)：船舶水面航行，升力/浮力/阻力/速度石化行業(yè)：換熱器電磁接觸：磁懸浮列車仿真有限元方法分析的一般步驟與應(yīng)用領(lǐng)域動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析與強(qiáng)度評估轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析與強(qiáng)度評估轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型取整個(gè)構(gòu)架進(jìn)行分析，采用四邊形板殼單元（SHELL63）建立有限元模型。整個(gè)構(gòu)架結(jié)構(gòu)離散為32395個(gè)單元,29786個(gè)節(jié)點(diǎn) 。UIC515/615規(guī)程 超常載荷模擬運(yùn)營載荷 應(yīng)力平均應(yīng)力與應(yīng)力幅m、a：與母材/接頭許用應(yīng)力比較放入相應(yīng)材

6、料母材/接頭的Goodman圖評估靜強(qiáng)度評估疲勞強(qiáng)度種類工況側(cè)梁上垂向載荷橫向載荷斜對稱力左側(cè)梁右側(cè)梁模擬運(yùn)營載荷a=0.1,b=0.21FzFz002(1+a-b) Fz(1-a-b) Fz003(1+a-b) Fz(1-a-b) Fz+FY04(1+a+b) Fz(1-a+b) Fz005(1+a+b) Fz(1-a+b) Fz+FY06(1-a-b) Fz(1+a-b) Fz007(1-a-b) Fz(1+a-b) Fz-FY08(1-a+b) Fz(1+a+b) Fz009(1-a+b) Fz(1+a+b) Fz-FY010(1+a-b) Fz(1-a-b) Fz+FYFn11(1+a

7、+b) Fz(1-a+b) Fz+FYFn12(1-a-b) Fz(1+a-b) Fz-FYFn13(1-a+b) Fz(1+a+b) Fz-FYFn表1 構(gòu)架運(yùn)營載荷工況組合表（載荷單位： KN） 垂向載荷： Fz=轉(zhuǎn)向架一側(cè)的基本垂向載荷；橫向載荷： FY=0.5（Fz+0.5Mbg），Mb為一臺轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量；斜對稱載荷：Fn=按軌道最大扭曲量5考慮；系數(shù)a：表示車體在曲線上滾擺運(yùn)動(dòng)引起的垂直載荷的動(dòng)態(tài)變化；系數(shù)b：表示車體浮沉運(yùn)動(dòng)引起的垂直載荷的動(dòng)態(tài)變化。 分類動(dòng)載荷牽引電機(jī)慣性力在主橫梁安裝點(diǎn)處：為電機(jī)重量2在端梁安裝點(diǎn)處：為其上部件重量3驅(qū)動(dòng)載荷模擬構(gòu)架作用的驅(qū)動(dòng)載荷均施加于軸箱平面

8、內(nèi)模擬電機(jī)的反作用扭矩均施加于構(gòu)架上支撐平面內(nèi)制動(dòng)力閘片作用于制動(dòng)盤上的力減振器力作用在安裝座上，減振器在額定速度時(shí)產(chǎn)生的力縱向載荷0.1(FZ+ 0.5Mbg) 構(gòu)架疲勞載荷表2 個(gè)別特殊載荷構(gòu)架載荷5 有限元計(jì)算模型超常載荷下構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖（顯示應(yīng)力大于80MPa）UIC615規(guī)程超常載荷下構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖（顯示應(yīng)力大于80MPa）UIC615規(guī)程UIC615規(guī)程電機(jī)垂向動(dòng)載荷作用下構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖 UIC615規(guī)程電機(jī)橫向動(dòng)載荷作用下構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖 UIC615規(guī)程電機(jī)縱向動(dòng)載荷作用下構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖 UIC615規(guī)程驅(qū)動(dòng)載荷作用下構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖 UIC615規(guī)程 制動(dòng)

9、載荷作用下構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖 按表1的各種載荷工況計(jì)算得到應(yīng)力1， 2 13，從中確定其最大值max和最小值min。按下式計(jì)算平均應(yīng)力m和應(yīng)力幅值a： 對于各種特殊載荷，首先沿一個(gè)方向施加載荷，然后再沿反方向施加，這樣就可以得出構(gòu)架上某部位的最大和最小應(yīng)力，由此確定對應(yīng)的應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力。UIC規(guī)程：平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值均采用代數(shù)求和方法； 動(dòng)應(yīng)力的確定 UIC615規(guī)程UIC615規(guī)程構(gòu)架合成平均應(yīng)力云圖 UIC615規(guī)程構(gòu)架合成動(dòng)應(yīng)力幅值云圖UIC615規(guī)程構(gòu)架合成動(dòng)應(yīng)力幅值云圖UIC615規(guī)程構(gòu)架合成動(dòng)應(yīng)力幅值云圖UIC615規(guī)程構(gòu)架合成動(dòng)應(yīng)力幅值云圖UIC615規(guī)程評估方法（1） 靜強(qiáng)

10、度評估方法根據(jù)UIC515/UIC615規(guī)程要求，在超常載荷作用下，結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)應(yīng)力均不得大于材料的屈服極限和接頭的許用應(yīng)力。（2） 疲勞強(qiáng)度評估方法在模擬運(yùn)營載荷作用下，構(gòu)架結(jié)構(gòu)上任意兩種載荷工況所產(chǎn)生的應(yīng)力差及平均應(yīng)力應(yīng)在相應(yīng)材料或接頭的Goodman極限線圖的界限之內(nèi) 。UIC615規(guī)程UIC615規(guī)程 按照UIC515/UIC615規(guī)程，并參照廠方技術(shù)專家提供的試驗(yàn)方案，該型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元分析及靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度評估結(jié)果表明：靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足要求 JIS技術(shù)條件靜載荷平均應(yīng)力m 與母材/接頭許用應(yīng)力比較評估靜強(qiáng)度動(dòng)載荷 應(yīng)力幅a放入相應(yīng)材料的疲勞極限圖評估疲勞強(qiáng)度JIS技術(shù)條件

11、分類起 因動(dòng)載荷備注（例）垂直方向由靜載荷垂直振動(dòng)產(chǎn)生的載荷(0.20.5)W由安裝的零部件的振動(dòng)引起的載荷側(cè)梁上(12)LP制動(dòng)件橫梁上(35)LP牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置端梁上(510)LP制動(dòng)件排障器由驅(qū)動(dòng)引起的載荷(0.20.4)La由制動(dòng)引起的載荷Pf橫向由橫向振動(dòng)和離心力引起的載荷(0.20.3)W由安裝的零部件振動(dòng)引起的載荷(24)LP牽引電機(jī)制動(dòng)件縱向由縱向振動(dòng)和牽引力引起的載荷(0.20.4)W由安裝的零部件振動(dòng)引起的載荷(13)LP牽引電機(jī)制動(dòng)件由制動(dòng)引起的載荷P扭轉(zhuǎn)由外軌超高等引起的載荷按轉(zhuǎn)向架對角車輪相對水平位置變位1015mm時(shí)的靜載荷計(jì)算轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動(dòng)載荷說明表 （1）平均應(yīng)

12、力m 平均應(yīng)力為靜載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，但具有脈動(dòng)載荷時(shí)的平均應(yīng)力，應(yīng)把脈動(dòng)載荷應(yīng)力的1/2加到靜載荷產(chǎn)生的應(yīng)力上去，作為靜載荷工況下的平均應(yīng)力。 動(dòng)應(yīng)力的確定 W=W1W2W3W：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所承載的靜載荷（N）W1：1個(gè)轉(zhuǎn)向架所承載的由車身質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷（N）W2：1個(gè)轉(zhuǎn)向架所承載的裝載質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷（N）W3：由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架以及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷（N） JIS技術(shù)條件 （2）動(dòng)應(yīng)力動(dòng)應(yīng)力為動(dòng)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，按下式進(jìn)行計(jì)算 a為動(dòng)應(yīng)力；1、2、n為由各動(dòng)載荷計(jì)算的應(yīng)力。對于脈動(dòng)載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力i，則用該應(yīng)力的1/2進(jìn)行合成： JIS技術(shù)條件 JIS技術(shù)條件 b 材料的抗拉強(qiáng)度（MP

13、a）0 材料的屈服許用應(yīng)力（MPa）W1、W2、W3為母材未修磨和修磨后焊接接頭在對稱循環(huán)下的疲勞許用應(yīng)力，而且這些值與母材靜強(qiáng)度無關(guān)（MPa）。動(dòng)應(yīng)力平均應(yīng)力 疲勞極限圖 JIS技術(shù)條件 動(dòng)應(yīng)力平均應(yīng)力 疲勞評估 由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜載和動(dòng)載計(jì)算所得構(gòu)架各處的平均應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力，均應(yīng)在疲勞極限圖的界限之內(nèi)。疲勞極限圖應(yīng)用舉例：動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析及強(qiáng)度評估應(yīng)用舉例：動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析及強(qiáng)度評估應(yīng)用舉例：動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析及強(qiáng)度評估應(yīng)用舉例：動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析及強(qiáng)度評估應(yīng)用舉例：動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析及強(qiáng)度評估應(yīng)用舉例：動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析及強(qiáng)度評估應(yīng)用舉例：動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析及強(qiáng)度評估 在動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)研制中，按照UIC規(guī)程或JIS技術(shù)條件中確定的“靜載荷”和“動(dòng)載荷”，通過有限元方法計(jì)算其應(yīng)力，然后用Goodman圖或疲勞極限圖評估它們的疲勞強(qiáng)度。通過這幾年對各種焊接轉(zhuǎn)向架的安全評估表明：當(dāng)其上最大動(dòng)應(yīng)力