（车辆工程专业论文）考虑轮对弹性时车辆系统动力学建模与仿真分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在世界上铁路开通的初期，由于轮轨接触点的运动而引起的车辆一 轨道系统动力学问题就被提出来了，但对机车车辆系统进行动力学分析 时并不考虑各个部件的弹性效应，而通常将其处理为刚体。随着现代铁 道车辆的发展，出现了许多新的技术，车辆各部件之间的联系也越来越 复杂，并且随着轻型化结构在车辆中的应用，以及列车运行速度的提高， 使得在车辆的稳定性、安全性分析上考虑部件的柔性对整车动力学的影 响已不容忽视。本文正是在这种背景下，以国内某动车组为原型，开展 了铁道车辆多体系统动力学建模与仿真研究工作。 在分析轮对结构的基础上，论文详细阐述了车辆弹性体轮对动力学 建模的过程，联合利用计算机辅助设计软件s o l i d w o r k s 、有限元软件 a n s y s 和多体动力学仿真软件s i m p a c k ，建立了弹性体轮对动力学模 型。在分析动车组车辆的运动学关系与悬挂结构的基础上，建立了考虑 轮对弹性效应的车辆多体动力学模型。 由于考虑了轮对的结构弹性，轮对结构的弹性变形在车辆运行过程 中表现出来。为了探明轮对的弹性变形效应对车辆动力学性能的影响， 开展了轮对为弹性体的车辆系统动力学仿真分析。通过分析轮对横向位 移的时间历程判定了弹性体轮对车辆的临界速度，以此确定车辆运动的 稳定性；研究了车辆在德国高速低干扰谱激励作用下的车辆运行平稳 性；仿真分析了车辆通过不同曲线线路时的轮轨横向力、轮轨垂向力、 轮轴横向力、轮重减载率和脱轨系数的时间响应历程。并将轮对为弹性 和刚性时的车辆系统动力学仿真结果进行了对比。结果表明，轮对的弹 性变形效应降低了车辆的临界速度，但幅值不大；轮对弹性变形效应对 车辆的运行平稳性和曲线通过性能也有微弱程度的影响。 关键词：铁道车辆；弹性体轮对；弹性变形；动力学；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fv e h i c l e t r a c kd y n a m i c sc a u s e db yt h em o v i n go ft h e w h e e l r a i lc o n t a c tp o i n tw a sp r e s e n t e da tt h eb e g i n n i n go fr a i l w a yo p e r a t i o n a l lo ft h ev e h i c l ec o m p o n e n t sw e r em o d e l e da sr i g i db o d i e si nm u l t i b o d y s y s t e md y n a m i c sa n a l y s i s ，a n dt h ee l a s t i cd e f o r m a t i o nw a sn o tt a k e ni n t o a c c o u n t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mr a i l w a y , m a n yn e wt e c h n i q u e s a p p e a r t h ek i n e m a t i c sr e l a t i o n sb e t w e e nv e h i c l ec o m p o n e n t sb e c a m em o r e c o m p l i c a t e d w h e nt h el i g h t w e i g h ts t r u c t u r e sa r eu s e di nh i g h - s p e e dv e h i c l e s ， t h ea f f e c t i o no ft h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no fv e h i c l ec o m p o n e n t so nv e h i c l e d y n a m i c sc a n n o tb ei g n o r e dw h e na n a l y z i n gt h ev e h i c l e s t a b i l i t ya n d s e c u r i t y t h e r e f o r e ，t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ev e h i c l em u l t i b o d y s y s t e md y n a m i c sw e r es t u d i e d t h ep r o c e s so fm o d e l i n ge l a s t i cw h e e l s e t sd y n a m i c sw a sp r e s e n t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fw h e e l s e ts t r u c t u r e t h ed y n a m i c sm o d e lo fe l a s t i c w h e e l s e tw a sm o d e l e da p p l y i n gs o l i d w o r k s ，a n s y sa n ds i m p a c k s o f t w a r e s t h ev e h i c l em u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c sm o d e lc o n s i d e r i n gt h e w h e e l s e te l a s t i cd e f o r m a t i o nw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h es t u d i e so nv e h i c l e k i n e m a t i c sr e l a t i o n sa n dv e h i l c es u s p e n s i o ns t r u c t u r e s t h ee l a s t i cd e f o r m m i o no f w h e e l s e t sa p p e a r si nv e h i c l eo p e r a t i o nd u et o t h es t r u c t u r a le l a s t i c i t yo fw h e e l s e tw e r ec o n s i d e r e d t h es i m u l a t i o n so n e l a s t i c w h e e l s e tv e h i c l e s y s t e md y n a m i c s w e r ed o n ei no r d e rt o i n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c to f w h e e l s e te l a s t i cd e f o r m a t i o no nv e h i c l ed y n a m i c s t h ee l a s t i c w h e e l s e tv e h i c l ec r i t i c a ls p e e dw a so b t a i n e db ya n a l y s i n gt h e h i s t o r yo fl a t e r a ld i s p l a c e m e n to fe l a s t i cw h e e l s e t t h e nt h ev e h i c l er u n n i n g s t a b i l i t yc a nb ec o n f i r m e d t h ev e h i c l er i d i n gq u a l i t yu n d e rt h ee x c i t a t i o no f g e r m a nh i l g hs p e e dt r a c ks p e c t r u mw a sa n a l y z e d t h ew h e e l r m ll a t e r a lf o r c e ， t h ew h e e l r a i lv e r t i c a lf o r c e ，t h ew h e e l a x l ef o r c e t h er e d u c t i o nr a t eo fw h e e l l o a da n dt h ed e r a i l m e n tc o e f f i c i e n tw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e dw h e n v e h i c l e sr a i lo nd i f f e r e n tc u r v e s t h er e s u l t ss i m u l a t e d b y t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 e l a s t i c w h e e l s e tv e h i c l es y s t e md y n a m i c sa n dt h er i g i d - w h e e l s e tv e h i c l e s y s t e md y n a m i c sw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev e h i c l ec r i t i c a l s p e e dr e d u c e s a n dt h ev e h i c l er i d i n gq u a l i t ya n dt h ec u r v en e g o t i a t i o n p e r f o r m a n c ea l ea f f e c t e da l i t t l ew h e nt h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no fw h e e l s e t s a r ec o n s i d e r e d k e y w o r d s ：r a i l w a yv e h i c l e ；e l a s t i cw h e e l s e t s ；e l a s t i cd e f o r m a t i o n ； d y n a m i c s ；s i m u l a t i o n 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学 可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年后解密后适用本授权书。 2 不保密囹，适用本授权书。 ( 请在方框内打“”) 学位论文作者签名：叼i 鸥 指导教师签名： 日期：2 0 0 8 年3 月1 5 日日期：2 0 0 8 年3 月1 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个 或集体已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作- j - g q 确的说 明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： i 借助s o l i d w o r k s 建模，a n s y s 和s i m p a c k 分析相结合的方法建立了车辆 动力学模型，考虑轮对弹性变形的影响； 2 引入无质量的刚体，这样巧妙地处理了弹性变形和轮对接触的关系； 3 探明了轮对弹性变形对车辆动力学行为的影响。 学匣论文作者签名：巧 日期：2 0 0 8 年3 月1 5 日 喝 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 车辆系统动力学的发展概况 由于铁路运输方式具有运载量大、运行速度高、能量消耗少、运输 成本低等优点，发展铁路运输对促进地区经济的发展，改善地区间及各 国间商业和贸易发展，以至于带动整个国民经济的发展都起着十分重要 的作用。自1 8 2 5 年英国建成世界上的第一条铁路至今这1 8 0 多年的时 间里，发展铁路运输事业一直为世界各国所关注，世界铁路也因此发生 了翻天覆地的变化。铁路运输的发展过程也就是运输能力不断提高的过 程，具体表现在列车重量、行车速度与密度的不断提高上。世界各国在 研究如何提高列车运行速度、增加货车运载重量、确保列车运行的平稳 性、安全性等方面都投入了大量的人力、物力，而速度一直是交通运输 所追求的目的l 鲫j 。 在世界上铁路开通的初期，由于轮轨接触点的运动而引起的车辆一 轨道系统动力学问题就被提出来了【2 3 j 。不过，当时的行车速度很低，时 速只有十几公里，由两轴货车组成的列车载重量很小，只有几十吨，在 这种运用条件下，动力学问题当然还未突出。经济的发展和社会的需求 促使铁路运输要提高其效能，即提高列车的行车速度和载重量，为此就 要制造出满足这一需要的具有良好结构和性能的机车车辆。另一方面列 车运行速度和载重量的提高，使得作用于机车车辆与线路之间、列车中 各连接车辆之间的动作用力增大以及列车与线路各部分的振动加剧。为 使机车车辆和线路具有足够的强度和稳定性，保证列车安全而平稳地运 行，减小各运动部件的磨耗和节约维修费用，提高车辆和轨道各部件的 使用寿命等，必须要解决机车车辆与线路之间以及机车车辆本身的一系 列重要课题，车辆系统动力学就是围绕着研究和解决这系列课题而逐 步发展起来的。车辆系统动力学迄今已成为一门丰富的学科，特别是自 本世纪6 0 年代开始实现铁路高速化和重载以来，该学科的理论水平及 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 其研究成果都已提高到了一个崭新阶段。车辆系统动力学研究基本上可 分为两个范畴【2 3 1 ：一是响应问题，即预测车辆在轨道不平顺或在通过曲 线时所引起的动力特征；二是稳定性问题，即研究系统在不同运行工况 下的稳定性和动力特征。车辆动力特征如图1 1 所示。 图1 - 1 车辆动力特征 计算机的采用大大地推动了车辆系统动力学学科的发展。借助于现 代计算技术，可对复杂的车辆数学模型求解。近一二十年来，用于计算 轮轨一车辆动力学性能的各种软件相继问世，这就使得动力学的理论研 究成果直接用于合理选择现代车辆的参数、优化设计及预测动力性能。 近年来又研制出用计算机来自动建立系统动力学模型的软件，这对长期 以来用传统的人工方法来推导运动方程无疑是一次突破。 总之，随着铁路运输的发展，特别是进入高速化和重载化阶段以来， 为了不断提高车辆的各种动力性能，各国在车辆及其零部件的结构型式 方面出现了许多重大的技术改造和创新。而诸如摆式车辆的横向稳定机 构、车辆的导向机构、主动悬挂装置和自动控制系统等更是原理新颖， 迥然不同于传统的结构。所有这些技术成就都是在车辆系统动力学的理 论和试验研究成果的基础上取得的。车辆系统动力学的研究成果应用于 实践，推动了车辆新结构和铁路运输的发展；而铁路发展的需要又向动 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 力学的研究提出了新的课题，促进了这一学科的发展；如此相互推动， 使车辆系统动力学学科的内容得以不断地丰富和提高到新的水平。 高速铁路无疑为铁路运输带来了新的生机，多年来发展高速铁路已 经成为各国的共识，对高速铁路包括高速机车车辆技术问题的认识逐渐 深化【6 剞】。但随着运行速度及运载量的不断增加，轮轨之间的相互动力 作用会急剧增加【删。强烈的轮轨作用力不仅会严重影响列车运行的平稳 性和安全性，还会导致列车零部件在强动载荷力作用下发生变形甚至被 破坏，并会导致轨道变形加速、部件损伤加快、轨道稳定性降低。进入 2 0 世纪9 0 年代以来，为适应国民经济的快速发展，一批采用了新技术、 新材料、新工艺，在速度、性能方面取得重大突破的机车车辆新产品相 继问世【6 5 7 0 1 。但对机车车辆系统进行动力学分析时通常并不考虑各个部 件的弹性效应，而将其处理为刚体。这些问题是对传统车辆系统动力学 的严峻考验和挑战。 1 2 多体动力学的发展概况 系统的各部件存在大范围的相对运动，这些部件相互连接方式的拓 扑与约束形式多种多样，受力的情况除了外力与系统各部件的相互作用 外，还可能存在复杂的控制环节。其共性是系统由存在相对运动的多个 物体组成，故称为多体系统( m u l t i b o d ys y s t e m ) 2 1 。多体系统一般由互相 作用的刚性体与柔性体组成，在动力作用下，这些组成单元可能平动与 转动。多体系统动力学主要包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力 学，一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成。在复杂机械系统领 域内，多体动力学模型主要由部件、铰、外力( 偶) 、力元四个要素组 成【7 l 】。 随着世界经济和科学技术的飞速发展与需要，多体系统的构型越来 越复杂，规模越来越庞大。从动力学角度讲，刚体是柔性体的特殊情况。 因此，在讨论多柔体系统动力学发展时，必然先会涉及到多刚体系统动 力学。而且正如人们所想象的那样，首先被发展起来的正是多刚体系统 动力学。6 0 年代开始，国外发达国家因高新技术发展的需求，系统各部 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 件以刚体为假设的多刚体系统动力学的研究得到飞速发展。到7 0 年代 末8 0 年代初，多刚体系统动力学计算机辅助分析软件系统在国外已达 到商品化水平，广泛应用于工程领域的动力学与控制性态的分析与优化 【2 】 o 在这一时期，有关柔性多体系统动力学的理论工作实际上也已经开 展了。p w l i k i n s 采用了由l m e i r o v i t c h 和h d n e l s o n 最先提出的混 合坐标，这一概念后来被广泛应用于多柔体系统动力学，随后还出现了 第一个关于多柔体系统的通用软件的源程序，到此可以认为多柔体系统 动力学的发展己经初具规模。 在国际上，1 9 7 7 年国际理论与应用力学大会( i u t a m ) 主持召开了第 一次国际多体系统动力学研讨会( 慕尼黑，德国) ；1 9 8 3 年 n a t o n s f a r d “机械系统动力学计算机分析与优化讲习会”( 依阿华， 美国) 对多体系统动力学的发展起到了很大的推动作用。1 9 8 5 年由 i u t a m 和国际机器与机构理论联合会( i f t o m m ) 联合举办了第二次国 际多体系统动力学研讨会( 乌迪内，意大利) ，会上展示了各种多刚体 系统动力学研究的最新成果【7 2 1 。在这次会上，多柔体系统动力学方面的 研究也十分的活跃。三次会议为多体系统动力学的发展奠定了基础，并 且出现了一些多体系统动力学的通用程序。这些程序多数是从多刚体系 统动力学分析基础上发展起来的。8 0 年代中后期是多柔体系统动力学 理论发展较快的时期，截止到目前，许多大型通用多体系统动力学软件 已经包括了有关柔性体的分析技术功能。 我国从1 9 8 6 年多刚体系统动力学研讨会( 北京) ，尤其是1 9 8 8 年 柔性多体系统动力学研讨会( 长春) 以来，在该领域的研究进展很快。 1 9 9 2 年，多体系统动力学一理论、计算方法和应用学术会议在上海召 开，展示了一批理论和应用的最新成果【73 | 。1 9 9 6 年在山东长岛召开的 “全国多体系统动力学与控制学术会议在理论与计算方法研究、工程 应用和实验研究三个方面取得了更新的进展【7 4 1 。目前，除了自行编制的 一些专用软件外，一些单位还引进了国外的先进软件。这对我们学习和 借鉴先进的技术和经验，加快研究步伐起到了良好的作用。 多体系统动力学综合了刚体力学、分析力学、计算力学、材料力学、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 生物力学等学科的成就，结合现代电子计算机，经过多年应用实践，逐 步发展起来。广泛应用在航天、航空、高速机构、车辆、机械制造、机 器人及人体科学( 仿生假肢) 等工程领域【7 2 1 。 目前工程中复杂机械系统的部分构件已采用轻质柔性材料，系统的 运行速度加快，运行精度的要求越来越高，系统的动力学性态越来越复 杂。简单地将部件作刚体假设的多刚体系统动力学已无法解释系统复杂 的动力学性态。因此，必须考虑部件大范围运动和构件本身的变形，这 类系统称为柔性多体系统或刚一柔耦合多体系统。考虑刚一柔耦合的多 体系统动力学研究成果将为工程领域提供理论基础。 1 3 车辆系统刚一柔耦合动力学的研究概况 德国宇航局i n g ok a i s e r 和德国h a n n o v e r 大学k a r lp o p p 合作研究 分析了车辆在平直轨道上运行时，轮对和钢轨弹性效应对车辆临界速度 的影响【1 7 】。德国宇航局j o r g e n a r n o l d 等在文献 1 0 】中分析了轮对弹性对 车辆横向运动稳定性的影响。文献 1 8 1 利用c o s i m u l a t i o n 软件平台分析 了弹性轨道( 桥梁) 和列车的相互影响。文献 1 9 】曾提出采用多体动力 学的方法研究车辆，其中考虑部件的弹性效应，如把轮对考虑成弹性体。 瑞典学者n i z a rc h a a r 和m a t sb e r g 研究了轮对和轨道弹性对轮轨力的影 响【2 1 1 。 在车辆系统刚一柔耦合动力学的研究方向，国内学者在不同领域进 行了研究。任尊松等在文献 5 】中把构架作弹性处理，其他各部件仍为刚 体，分析了弹性构架的结构振动特征以及构架弹性处理对系统各安全性 指标影响的特征。同时王文静等在文献 6 】中同样把构架弹性处理，分析 了系统结构的振动响应和各项动力学指标，并把构架动态载荷引入有限 元分析软件a n s y s y 中分析了构架各部位的应力分布以及关键部位的 动态应力一时间历程。中国北车集团四方车辆研究所的刘德刚等在文献 【1 2 中分析了考虑车体和构架的弹性对构架动载荷、动应力及疲劳损伤 的影响。北京交通大学的金新灿等建立了考虑线路弹性并视转向架构架 为柔体的三节车辆组成的列车通过道岔运行的列车线路模型，分析了 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 列车通过道岔时作用于转向架上的动载荷，并将动载荷重新引入a n s y s 中分析了整个构架的应力分布及最大应力时间历程变化等【1 3 1 。西南交通 大学的阳光武在文献 1 4 】中研究了弹性部件的等效模型对铁道货车车体 振动的影响，通过结果分析，在车辆低速运行阶段，为加快分析速度可 将弹簧拖板等效为一个弹簧元件，而在高速运行阶段，需要将弹簧拖板 等效为柔性体，以考虑弹簧拖板自身振动对车辆整体性能的影响，使车 辆设计趋于合理。文献 1 5 】基于协同仿真思想，研究了不同仿真工具下 的刚柔耦合建模技术，并将该技术用于计算列车盘形制动系统中外侧杠 杆的动应力及疲劳寿命预测。同济大学陆正刚等应用刚柔耦合系统动力 学方法，将铁道车辆关键零部件如客车转向架构架、货车转向架交叉杆 组成等作为柔性体，通过模态综合方法融合在车辆多体动力学模型中， 再通过车辆动力学仿真分析，获得关键部件上危险点的动应力。根据整 个寿命周期内车辆不同运用工况的组合，获得相应危险点上的动应力谱， 最后应用疲劳损伤准则，进行疲劳寿命计算。作为算例，应用该方法对 配装转k 6 型转向架的交叉杆组成进行了疲劳寿命评估【1 6 i 。 1 4 论文研究意义、主要内容及方法 1 4 1 论文研究意义 柔性多体动力学是当前国际上动力学分析的新的发展方向【6 ，5 7 1 。随 着结构部件尺寸的增大，质量的减轻以及运行速度的提高，航天领域、 机器人领域都已提出了柔性多体系统建模的需求。而现代铁道车辆的发 展，出现了许多新的技术，车辆各部件之间的联系也越来越复杂，并且 随着轻型化结构在车辆中的应用，以及列车运行速度的提高，使得在车 辆的稳定性、安全性分析上考虑部件的柔性对整车动力学的影响已不容 忽视。引入柔性多体动力学理论对车辆系统进行动力学性能分析，可以 揭示整体系统中刚性和柔性的耦合及相互影响，可以更深入地了解车辆 系统中部件的弹性效应对车辆运行稳定性及安全性的影响，可使仿真分 析更加符合实际工况，从而可为设计品质优越的结构部件提供有力保 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 障，如何更详细地考虑这些影响已成为车辆系统动力学研究的重要内 容。 本论文正是在这种背景下运用虚拟样机技术建立车辆系统多体动 力学模型，仿真分析其动力学特性，并实时再现其运行过程中的动态行 为，以期为车辆一轨道复杂系统多体动力学综合建模技术提供一种思 路，为促进我国列车的工程应用和发展提供基础理论和参考数据。 1 4 2 论文主要研究内容及方法 本论文以我国某动车为对象，以德国航空航天局开发的大型多体动 力学仿真软件s i m p a c k 、有限元分析软件a n s y s 和计算机辅助设计软 件s o l i d w o r k s 为平台，根据实际或接近实际结构的参数建立考虑轮对弹 性效应的车辆系统多体模型，开展车辆系统的若干动力学仿真分析。具 体的研究内容介绍如下。 第二章，较详细的介绍了轮对的结构组成及作用，并以国内某动车 的轮对为对象，运用s o l i d w o r k s 软件对轮对进行三维实体建模，并利用 该软件与a n s y s 软件之间的接口实现结构的有限元分析，包括子结构 分析和模态分析，为轮对在多体动力学中的实现弹性处理奠定了基础。 第三章，介绍了柔性体结构在多体系统动力学建模的思路，以及如 何实现弹性体轮对的动力学建模。利用第二章中对轮对的有限元分析结 果，通过s i m p a c k 的柔性体接口模块f e m b s 集成到s i m p a c k 中建 立动力学模型，为整车动力学仿真做准备。 第四章，分析了轮轨接触关系的运动方程，刚性体轮对的轮轨接触 模型和接触点。最后给出了考虑轮对弹性时的轮轨接触关系模型。轮轨 接触关系是机车车辆设计和应用的研究基础，同时也是本论文研究的一 个重点。 第五章，在第二、三、四章的基础上进一步分析了所研究车辆各个 部件之间的运动学关系和车辆的结构特征，建立了轮对弹性的车辆多体 动力学模型。 第六章，开展车辆多体动力学综合仿真分析。通过对车辆稳定性、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 平稳性和曲线通过性能的仿真计算，对比分析了轮对弹性和刚性时车辆 的动力学性能。 最后给出本论文的基本结论，展望车辆系统动力学综合建模与仿真 的趋势和基本思路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章轮对有限元建模及分析 一般而言，铁道车辆常常被视为多刚体系统研究其动力学性能。轮 对是转向架中重要的部件之一，又是影响车辆运行安全性的关键部件之 一，考虑到轮轨接触对于微小的位移很敏感，其弹性变形直接影响轮轨 蠕滑和磨损的计掣7 1 。因此，轮对在车辆动力学建模中按弹性体建模是 值得考虑的。 本章在轮对结构分析的基础上，详细阐述联合利用三维机械设计辅 助软件s o l i d w o r k s 、大型有限元分析软件a n s y s 实现轮对有限元模型， 从而为在多体车辆系统动力学中实现轮对的弹性体模型作基础。 2 1 轮对的结构及作用 2 1 1 轮对的结构 轮对是由一根车轴和两个相同的车轮组成，如图2 1 所示。在轮轴 结合部位采用过盈配合，使两者牢固地结合在一起，为保证安全，绝不 允许有任何松动现象发生。 车轴是转向架轮对中重要的部件之一，直接影响车辆运行的安全 性，又是转向架簧下质量的主要组成部分。铁路车辆用的车轴绝大多数 是圆截面实心轴。但随着高速和重载车辆的发展，降低簧下质量对改善 车辆运行平稳性和减小轮轨间动力作用有重要影响，因而，空心车轴也 得到运用。 各种车轴的区别在于： 主要部分的尺寸一与所承受的载荷大小有关； 轴颈形式一滑动轴承或滚动轴承； 横截面的形状一实心的或空心的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 1 轮对 由文献 2 2 ，2 4 可知，车轴分轴颈、轴身、轮座、防尘板座等部分。 作用在车轴上的载荷有机车车辆自重和附加的动态载荷；由牵引电机经 过主、从动齿轮传动时侧压力引起的弯矩和扭矩；牵引电动机的静、动 载荷；轴承、轮心、齿轮压装在车轴上引起的组装应力。由于主要的应 力都是交变的，所以车轴的折损通常是由疲劳引起的。实践表明：电力 机车车轴的裂损多发生在齿轮和车轮压装部位两侧的轴肩部分。因此在 设计车轴时，必须尽可能减小车轴的应力集中，采取有效的工艺措施提 高疲劳强度。 车轴的主要变形是横向弯曲? 轮座部分由于嵌入车轮而引起应力， 以及由于摩擦腐蚀的影响，所以它的直径要设计的大一些。为了降低车 轴直径变化区域的应力集中，而采用具有一定半径的圆角来平缓过渡。 为了减小由于装入滚动轴承而产生的应力集中，在轴颈后部的过渡圆弧 开始处设一个卸载槽。 随着列车速度的提高，在不断增大机车功率的同时，也不断改进走 行部结构及车体结构，减轻轴重和簧下重量。众所周知，在车轴的截面 内弯曲应力的分布是不均匀的，其外层纤维的应力最大，而内层纤维的 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 应力最小。因此以空心轴代替实心轴是合理的。基于这个原因，希望尽 可能的以空心轴来代替实心轴，另外，采用空心轴可以减轻轴重和簧下 重量，减小对线路的动力作用，并改善轮轨粘着性能，充分发挥机车的 牵引和制动功率，因此也希望用空心轴来代替实心轴。此外，在制造空 心轴时，材料的组织和机械性能可以得到改善，苏联对车轴轮对空心车 轴的强度和可靠性进行了广泛的研究。 目前国外有采用空心轴的设计并己投入运营，在国内空心轴已经得 到应用，但由于各方面条件的限制，很少采用空心轴。但是，空心轴所 具备的优点使得空心轴拥有良好的发展前景，空心轴的运用是轮对发展 的趋势。 目前我国铁道车辆上使用的车轮绝大多数是整体辗刚轮，它包括踏 面、轮缘、轮辋、辐板和轮毂等部分，如图2 2 所示。 l 一踏面：2 一轮缘；3 一轮辋；4 辐板；5 一轮毂 图2 2 车轮 本文研究的国内某动车组动力轮对，带轮状制动盘的整体辗刚车轮 通过过盈配合压装在空心车轴上。车轮与钢轨的接触面称为踏面，该车 轮采用磨耗型踏面。一个突出的圆弧部分称为轮缘，是保持车辆沿钢轨 运行，防止脱轨的重要部分。轮辋是车轮上踏面下最外的一圈。轮毂是 轮与轴互相配合的部分，辐板是连接轮辋与轮毂的部分，辐板上有两个 圆孔，便于轮对在切削加工时与机床固定和搬运轮对之用。轮毂上的油 孔与轮心内孔的油槽相通，当从车轴上拆装轮对时，可用专用的高压油 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 泵经过该油孔和油槽向里压油，当油压达到规定的数值后，对车轮或车 轴施加轴向力，将车轮退出、压入。这样既减小了拆装压力，又避免了 车轴与轮心配合免得拉伤。为了使车辆安全地在线路上通行，特别是安 全地通过道岔，车轮必须固接在车轴上，并使两轮缘之间的内侧距离保 持在一定的公差范围内，可以降低车轮和钢轨的磨耗、减小车辆的运行 阻力、提高轮对抗脱轨的稳定性、改善车辆运行的平稳性。同时，装在 一根车轴上的两个车轮，其滚动圆的直径之差应尽可能的小( 不大于 i m m ) ，否则就会造成轮对的扭曲和滑动，以致增加运行阻力、造成车轮 滚动平面的不均匀磨耗以及引起车轴的扭转。限制轮对的不平衡度是对 轮对提出的要求之一。轮对的不平衡度将引起铁道线路、车轮、车轴和 车辆其他零部件的附加应力，同时还造成车辆走行部分的附加磨耗，并 使轮对抗脱轨稳定性变差。在通过车轮质心并垂直于轮对转动轴的平面 内，轮对的允许不平衡度协应满足下列条件：m e s m i r i 皿聊巳m 觚， 其中m 为轮对的质量，优加和朋p 册姗分别为质心允许偏移量e 。的最小 和最大值【4 w 。 2 1 2 轮对的作用 轮对的主要作用是：机车车辆全部重量通过轮对支承在钢轨上；通 过轮对对钢轨的粘着产生牵引力或制动力；通过轮对滚动使机车前进。 另外，轮对踏面和轮缘与钢轨顶面及内侧面相互作用实现机车的导向。 轮对在机车运行过程中的受载情况比较复杂，当车轮行经钢轨接头、道 岔等线路不平顺处时，轮对直接承受全部垂向和侧向的冲击。 轮对承受很大的静、动载荷和装配应力，闸瓦制动时还产生热应力， 因此要求其有足够的强度。另一方面，由于轮对是簧下重量，为了减轻 它对线路的动作用力，还要求尽可能减小它的重量，而这对于高速机车 尤为重要。为了保证运行安全，适应选择轮对部件的材料，保持轮对的 正确组装和良好的状态是很必要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2 轮对有限元建模软件介绍 2 2 1 计算机辅助设计软件s o l i d w o r k s 简介 s o l i d w o r k s 是美国s d r c 公司开发的三维几何建模软件，是一套包 括材料特性的参数式实体模型设计工具。s o l i d w o r k s 可充分发挥用三维 工具进行产品开发的威力，它提供从现有二维数据建立三维模型的强大 转换工具。s o l i d w o r k s 能够直接读取d w g 格式的文件，在人工干预下， 将a u t o c a d 的图形转换成s o l i d w o r k s 三维实体模型。另一方面， s o l i d w o r k s 软件对于熟悉w i n d o w s 的用户特别易懂易用，它的开放性体 现在符合w i n d o w s 标准的应用软件，可以集成到s o l i d w o r k s 软件中， 从而为用户提供一体化的解决方案。s o l i d w o r k s 软件的最新版本在设计 创新、使用方便性和提高整体性能等方面都得到了显著的加强，包括增 强了大装配处理能力、复杂曲面造型能力，以及专门为中国市场的需要 而进一步增强的中国国标( g b ) 内容等【5 0 1 。本论文即采用s o l i d w o r k s 对铁道车辆轮对进行实体建模，为轮对的有限元分析做准备。 2 2 2 有限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型c a e 通用 有限元分析软件【3 j 。可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、 机械制造、汽车交通、国防军工、土木工程、生物医学、水利、日用家 电等一般工业及科学研究。 a n s y s 可与许多先进c a d 软件共享数据，利用a n s y s 的数据接 口，可精确地将在c a d 系统下生成的几何数据传入a n s y s ，如 p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a l o g o r ，i - d e a s 和a u t o c a d 等，并通过必 要的修补可准确地在该模型上划分网格并求解，这样可以节省用户在创 建过程中所花费的大量时间，极大地提高了工作效率。 a n s y s 软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 析到复杂非线性动态分析。一个典型的a n s y s 分析过程可分为以下三 个步骤。 1 创建有限元模型 2 施加载荷进行求解 3 查看分析结果 在有限元分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块 ( p r e p 7 ) ，分析求解模块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t i 和p o s t 2 6 ) 。 前处理模块为一个强大的实体建模和网格划分工具，通过这个模块用户 可以建立自己想要的工程有限元模型。分析求解模块即是对己建好的模 型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算，求解平衡微分方程。包 括结构分析、流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析和多物 理场的祸合分析等。后处理模块是对计算结果进行处理，可将结果以等 值线、梯度、矢量、粒子流及云图等图形方式显示出来。 1 处理模块( p r e p 7 ) a n s y s 软件的前处理模块主要实现三种功能：参数定义、实体建 模和网格划分。 2 求解模块( s o l u t i o n ) 求解模块是程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析 和有限元求解的。在此阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷 数据和载荷步选项。 3 后处理模块( p o s t i 和p o s t 2 6 ) 当完成计算后，可以通过后处理查看结果。a n s y s 程序的后处理 包括两个部分：通用后处理模块( p o s t l ) 和时间历程处理模块 ( p o s t 2 6 ) 。通过程序的菜单操作，可以很方便地获得求解的计算结果。 2 3 轮对实体建模 鉴于在各种有限元分析软件中建立车轮的实体几何模型均较复杂， 及三维造型软件与有限元软件的接口问题，特选定用s o l i d w o r k s 按照轮 对实际尺寸建立模型，然后经简化处理后完成整体结构实体建模，轮对 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的三维实体模型见图2 - 4 ，并注意将其合并成为一个整体，将其保存 为x _ t 文件，以待通过p a r a s o l i d 文件格式导入到有限元分析软件a n s y s 中。 图2 - 4 轮对三维实体模型 2 4 轮对有限元分析 如2 2 节所述，利用a n s y s 进行有限元分析包括实体创建( 已在 s o l i d w o r k s 中完成) 及模型前处理( 材质属性设定、单元选取和网格划 分等) 、施加载荷并求解( 定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷 步选项以及求解器等) 和使用后处理器查看并分析计算结果三大步骤。 为实现a n s y s 有限元分析与s i m p a c k 柔性体接口模块f e m b s 的接 合，有限元分析又必须按照接口模块f e m b s 特定的分析步骤进行，以 便产生包含f e m b s 输入信息( 质量矩阵 m ) 、刚度矩阵 k 文件，模态 振型文件以及c a d 文件等) 的结果文件。在3 2 1 中将具体介绍f e m b s 模块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 4 1 轮对材质属性与有限元网格划分 车轴材质为中国铁道标准t b 厂r2 9 4 5 19 9 9 规定的l z 5 0 ，车轮材质 为c l 6 0 ，本论文研究的轮对材料属性如表2 1 所列。 表2 - 1 轮对材质属性 为了产生多体动力学建模必须包含的节点信息，必须人为控制网格 划分。而求解类型主要包括子结构分析和模态分析两种类型，自由度的 确定与约束条件的施加必须和多体动力学建模一致【4 】。 模型中没有考虑轮轴的过盈配合，按整体建模，并采用八节点六面 体三维实体单元进行网格划分【8 】，共划分单元为3 3 1 2 0 个，节点数为 3 6 4 4 9 个。轮对有限元模型如图2 5 所示。 厂 图2 - 5 轮对有限元模型 嚼一 鋈 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 4 2 轮对子结构分析 子结构法将柔性体分成若干个子结构，用假设模态法或线性有限元 处理子结构的内部变形，对子结构边界公共节点定义其位移约束方程， 表示相邻子结构之间的位移协调性，这相当于把柔性体的位移用广义坐 标的分段函数表示，各段内部为线性，但整个函数却为非线性。若将子 结构划分得合理，用广义坐标分段函数表示的变形位移可以使系统动力 学性质包括了几何非线性的影响。该方法能够应用模态综合技术减小求 解的自由度，计算效率比较高 2 1 。 子结构分析就是将一组单元用矩阵凝聚成一个超单元的过程，可以 简化弹性体轮对高维模型，节约计算规模。用户在使用部分( u s ep a s s ) 之前无需对子结构施加约束，因为每个子结构都是作为一个单元进行处 理，是允许刚体位移的。子结构分析包括三个部分【5 0 】： 1 生成部分( g e n e r a t i o np a s s ) 。生成部分就是将普通的有限元单元 凝聚为一个单元的过程，凝聚是通过定义一组主自由度来实现的。主自 由度用于超单元与模型中的其他单元的边界，提取模型的动力学特性。 整个模型可以是超单元，也可以是超单元和非超单元的相连。本论文采 用g u y a n 缩减法1 9 , 6 6 ，主自由度选取遵循如下基本准则：大质量、低频 率原则，如几何模型中质量集中部分的节点自由度；保持结构的整体外 形，选取的自由度集大致覆盖整个轮对的外形；均匀分布原则；选取包 含2 4 1 节所述的连接节点( s i m p a c k 中轮对与其它多刚体连接的节点、 建立铰和约束关系的节点以及需要在相应位置测量动力学指标的节点) 自由度。图2 6 显示的为依据上述原则选取的轮对主自由度集。主自由 度选取亦反映了轮对结构的对称性。 2 使用部分( u s ep a s s ) 。使用部分的计算包括超单元的凝聚和非超 单元的全部计算。本论文涉及到的使用部分主要指2 4 3 节的轮对模态 计算。 3 扩展部分( e x p a n s i o np a s s ) 。扩展部分就是从凝聚计算结果开始 计算整个超单元中的所有自由度。如果在使用部分有多个超单元，那么 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 每个超单元都需要有单独的扩展部分。 子结构分析后将生成质量矩阵 m 和刚度矩阵 k ) ，用于多体动力 学分析和在使用部分有惯性载荷的情况下。子结构分析数据流示意图如 图2 7 所示。 图2 - 6 轮对主自由度集 八n 蚕 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 7 子结构分析数据流示意图【5 0 i 2 4 3 轮对模态分析 用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，而固有频率和振 型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。如果要进行模态叠加法谐响 应分析或瞬态动力学分析，固有频率和振型是必要的。而在多体系统动 力学仿真