第一章 动车组转向架强度

动车组转向架转向架结构有限元计算与强度分析王文静北京交通大学机电学院主要内容本节主要内容前言有限元法有限元方法分析的一般步骤与应用领域动车组转向架构架结构强度评估分析实例前言一、《动车招标技术条件》计算资料需求车体强度计算转向架构架及弹簧的强度计算各悬挂件的固结强度计算轮轴强度计算驱动机构的强度、性能计算二、动车组转向架构架的设计与验证前言（1）转向架构架基本截面设计﹡确认载荷条件前言（1）转向架构架基本截面设计﹡基本截面设计前言抗弯截面系数（1）转向架构架基本截面设计﹡基本截面设计前言根据材料力学，根据等截面的简支梁进行手动计算，设计截面。即，根据以下所示模型，估算承担垂直载荷的弯曲应力。弯曲应力估算模型二、动车组转向架构架的设计与验证前言前言（2）强度验证(FEA)﹡验证准则﹡有限元分析(FEA)﹡评估结果CAE/CAD交互一体化框图最后设计CAD(Pro/E,Ug,etc.)满足设计参量？（强度准则、温度范围等）将模型传入CAEANSYS,NASTRAN,MARC几何建模CADPro/E,Ug,etc进行建模和分析CAEANSYS,NASTRAN,MARC设置设计变量CADPro/E,Ug,etc.是否有限元法有限元法是当前科学和工程问题数值分析方法中最有效的工具，是现代工业设计广泛应用的分析方法。有限元法的基本思想：将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。离散连续域),(yxF),(iiyxF有限元计算特点是把整个连续的物体看作是若干个简单的由有限个单元组成的集合体，通过对各个单元的特性分析，以及考虑每个单元在整体结构中相互联系的特征，将离散化模型变成代数方程式，采用数值方法求解这些代数方程，从而成功计算出物体各处的应力和位移。有限元法dstNTTs}{][][}{}{}]{[TFdKdvBCBKTV]][[][][dvfNFTV}{][][有限元控制方程大型通用商业软件:•ANSYS•MFC_PATRAN/NASTRAN、MFC_MARC•ABAQUS•COSMOS•……有限元法}{}{}]{[TFdK节点单元有限元模型真实系统有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定的载荷。有限元法有限元模型真实系统-高速列车单元、节点真实系统—汽车有限元模型单元、节点真实系统—轴箱座有限元模型单元、节点有限元方法分析的一般步骤与应用领域(1)一般步骤前处理有限元计算后处理几何建模：点、线、面、体FEA建模：设定单元类型、材料类型、网格划分、位移约束、载荷根据各学科理论的基本变量、方程，通过有限元法，进行结构静力分析、振动分析、热传导、电磁场分析等等得出位移、应力、应变以及温度、磁场强度等数值结果或图形(2)有限元方法的应用模态分析：分析结构的固有频率和振型；瞬态动力分析：计算结构的动态响应；应力分析：包括桁架、梁、板壳以及各种形状复杂的三维实体结构；典型的结构问题有限元方法分析的一般步骤与应用领域(2)有限元方法的应用流体流动：层流与湍流；电磁场分析：电场、磁场；热传导：稳态与瞬态；非结构问题此外，一个新的应用领域是生物力学工程领域有限元方法分析的一般步骤与应用领域有限元方法分析的一般步骤与应用领域战斗机：280万单元超音速飞行压力分布船舶行业：船舶水面航行，升力/浮力/阻力/速度……石化行业：换热器电磁接触：磁悬浮列车仿真有限元方法分析的一般步骤与应用领域有限元方法分析的一般步骤与应用领域动车组转向架构架强度评估(1)转向架载荷定义在转向架结构分析中应区别以下两种载荷：在车辆使用寿命期中出现次数极少，甚至只有一次或数次，但其数值甚大的载荷；构架上的大部分交变载荷，出现极为频繁,对使用寿命有着重要影响。动车组转向架构架强度评估超常载荷—指运用中可能发生的最大载荷；模拟运营载荷—指实际运用中经常发生的载荷；(2)高速转向架焊接构架强度设计规范•UIC515/UIC615规程•JISE4207“铁道车辆转向架构架设计通用条件”•我国的“200km/h暂规”动车组转向架构架强度评估UIC515/UIC615规程模拟运营载荷平均应力与应力幅σm、σa放入相应材料母材/接头的Goodman图评估疲劳强度超常载荷应力σ与母材/接头许用应力比较评估静强度有限元计算构架疲劳载荷（1）模拟运营载荷模拟运营载荷是实际运用中经常发生的载荷,运营载荷工况组合按表1考虑。（2）模拟个别特殊载荷UIC规程615-4中规定了模拟运用中的个别特殊载荷，如表2所示。UIC515/UIC615规程种类工况侧梁上垂向载荷横向载荷斜对称力左侧梁右侧梁模拟运营载荷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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构架运营载荷工况组合表（载荷单位：KN）垂向载荷：Fz=转向架一侧的基本垂向载荷；横向载荷：FY=0.5（Fz+0.5Mbg），Mb为一台转向架的质量；斜对称载荷：Fn=按轨道最大扭曲量5‰考虑；系数a：表示车体在曲线上滚摆运动引起的垂直载荷的动态变化；系数b：表示车体浮沉运动引起的垂直载荷的动态变化。分类动载荷牵引电机惯性力①在主横梁安装点处：为电机重量×2②在端梁安装点处：为其上部件重量×3驱动载荷①模拟构架作用的驱动载荷均施加于轴箱平面内②模拟电机的反作用扭矩均施加于构架上支撑平面内制动力闸片作用于制动盘上的力减振器力作用在安装座上，减振器在额定速度时产生的力纵向载荷0.1(FZ+0.5Mbg)构架疲劳载荷表2个别特殊载荷☆按表1的各种载荷工况计算得到应力σ1，σ2……σ13，从中确定其最大值σmax和最小值σmin。按下式计算平均应力σm和应力幅值σa：☆对于各种特殊载荷，首先沿一个方向施加载荷，然后再沿反方向施加，这样就可以得出构架上某部位的最大和最小应力，由此确定对应的应力幅值和平均应力。动应力的确定maxminmaxmin22maUIC515/UIC615规程Goodman图UIC515/UIC615规程UIC515/UIC615规程采用Goodman疲劳极限线图进行疲劳强度评估。所谓Goodman疲劳极限线图，它是各种等寿命图中的一种。Goodman图UIC515/UIC615规程Goodman图以最大应力和最小应力为纵坐标，以平均应力为横坐标，图中的ABCDE为最大应力线，AFGHE为最小应力线，它们所围成的面积表示不发生破坏的应力范围。C、G点分别表示疲劳极限，D、F点分别表示拉、压屈服极限，Q表示强度极限。由此可见，材料或焊接接头的Goodman疲劳极限线图是通过测定其、以及指定寿命下的疲劳极限得到的。1bsbsGoodman图采用UIC—OREB12/RP17提供的Goodman图，共有三张：母材抗拉强度不低于370MPa（St37钢）；母材抗拉强度不低于420MPa；母材抗拉强度不低于520MPa（St52钢）UIC515/UIC615规程抗拉强度520MPa钢的Goodman疲劳极限线图OREB12/RP17(82)将构架上由模拟运营载荷工况计算得出的动应力与同一部位由特殊载荷工况计算得出的动应力相叠加，验证是否在Goodman疲劳极限线图范围内，从而进行疲劳评估。疲劳评估JIS技术条件静载荷平均应力σm与母材/接头许用应力比较评估静强度动载荷应力幅σa放入相应材料的疲劳极限图评估疲劳强度JIS技术条件分类起因动载荷备注（例）垂直方向由静载荷垂直振动产生的载荷(0.2～0.5)×W由安装的零部件的振动引起的载荷侧梁上(1～2)×LP制动件横梁上(3～5)×LP牵引电机﹑驱动装置端梁上(5～10)×LP制动件﹑排障器由驱动引起的载荷(0.2～0.4)×La由制动引起的载荷P×f横向由横向振动和离心力引起的载荷(0.2～0.3)×W由安装的零部件振动引起的载荷(2～4)×LP牵引电机﹑制动件纵向由纵向振动和牵引力引起的载荷(0.2～0.4)×W由安装的零部件振动引起的载荷(1～3)×LP牵引电机﹑制动件由制动引起的载荷P扭转由外轨超高等引起的载荷按转向架对角车轮相对水平位置变位10～15mm时的静载荷计算动载荷条件是指车辆在运行状态下，转向架构架所承载的载荷，分为静载荷与动荷系数的乘积所表示的载荷以及根据安装部件的特性所决定的载荷。另外，实际适用的动荷系数的大小以及安装部件的特性所决定的载荷大小需要考虑线路条件以及车辆的实际振动和预测振动的大小。表3转向架构架动载荷说明表（1）平均应力σm平均应力为静载荷产生的应力，但具有脉动载荷时的平均应力，应把脉动载荷应力的1/2加到静载荷产生的应力上去，作为静载荷工况下的平均应力。动应力的确定W=W1＋W2＋W3W：转向架构架所承载的静载荷（N）W1：1个转向架所承载的由车身质量所产生的载荷（N）W2：1个转向架所承载的装载质量所产生的载荷（N）W3：由转向架构架以及转向架构架部件的质量所产生的载荷（N）JIS技术条件（2）动应力动应力为动载荷产生的应力，按下式进行计算σa为动应力；σ1、σ2、······σn为由各动载荷计算的应力。对于脉动载荷所产生的应力σi，则用该应力的1/2进行合成：2222123an2222122ianJIS技术条件JIS技术条件σb–材料的抗拉强度（MPa）σ0–材料的屈服许用应力（MPa）σW1、σW2、σW3–为母材﹑未修磨和修磨后焊接接头在对称循环下的疲劳许用应力，而且这些值与母材静强度无关（MPa）。动应力平均应力疲劳极限图JIS技术条件疲劳评估判断由转向架构架静载和动载计算所得构架各处的平均应力和动应力是否均在疲劳极限图的界限之内。疲劳极限图JIS技术条件表4主要材料的拉伸强度、屈服点及疲劳许用应力单位MPa项目材料种类SM400SM490SMA400SMA490材料的拉伸强度（ÓB）400490材料的屈服点（ÓS）235355相对于材料屈服的许用应力（Óo）205305疲劳许用应力母材（Ów1）135155焊接边缘部位不打磨时（Ów2）70打磨时（Ów3）110•构架疲劳载荷模拟运营载荷与UIC规程相同，参见表1；•动应力的确定与UIC规程相同；•疲劳评估与UIC规程相同我国的“200km/h暂规”“暂规”中没有考虑运用中的个别特殊载荷；在没有作出我国铁路常用钢材疲劳极限线图之前，暂用UIC—OREB12/RP17提供的Goodman图。UIC规程和JIS技术条件（1）构架疲劳载荷UIC规程中对于欧洲铁路、正常运行条件下，动载系数取α=0.1、β=0.2。若在线路品质低劣或线路超高不良的条件下运行，也可以取高一些的值；JIS技术条件则给出了各动载系数的取值范围。垂向载荷的动载系数两者接近；但JIS技术条件中构架两个侧梁的动载取相同值，而UIC规程中左、右侧梁的动载值不同。JIS技术条件对特殊载荷处理比UIC规程更严格，如对牵引电机引起的动载荷考虑了对垂向、横向和纵向载荷三方面的影响。纵向载荷也是JIS技术条件比UIC规程严格一些。由承载质量的振动所产生的纵向载荷JIS：（0.2～0.4）W(6)UIC0.1(FZ+0.5Mbg)UIC规程和JIS技术条件（2）动应力合成UIC规程：平均应力和应力幅值均采用代数求和方法；JIS技术条件