火车转向架强度

1、 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 有原型车的情况 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 没有基础车种的情况 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

2、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CAE ANSYS,NASTRAN,MARC几何建模CAD Pro/E,Ug, etc进行建模和分析CA E ANSYS,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 有限元计算特点是把整个连续的物体看作是

3、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 有限元控制方程大型通用商业软件:ANSYSMFC_PATRAN/NASTRAN、 MFC_ MARCABAQUS 有限元法 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

4、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，

5、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动车组转向架构架有限元分析与强度评估转向架构架动车组转向架构架有限元分析与强度评估转向架构架有限元模型取整个构架进行分析，采用四边形板壳单元（SHELL63）建立有限元模型。整个构架结构离散为32395个单元,29786个节点 。UIC515/615规程 超常载荷模拟运营载荷 应力平均应力与应力幅m、a：与母材/接头许用应力比较放入相应材

6、料母材/接头的Goodman图评估静强度评估疲劳强度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

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 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在主横梁安装点处：为电机重量2在端梁安装点处：为其上部件重量3驱动载荷模拟构架作用的驱动载荷均施加于轴箱平面

8、内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 个别特殊载荷构架载荷5 有限元计算模型超常载荷下构架的等效应力云图（显示应力大于80MPa）UIC615规程超常载荷下构架的等效应力云图（显示应力大于80MPa）UIC615规程UIC615规程电机垂向动载荷作用下构架的等效应力云图 UIC615规程电机横向动载荷作用下构架的等效应力云图 UIC615规程电机纵向动载荷作用下构架的等效应力云图 UIC615规程驱动载荷作用下构架的等效应力云图 UIC615规程 制动

9、载荷作用下构架的等效应力云图 按表1的各种载荷工况计算得到应力1， 2 13，从中确定其最大值max和最小值min。按下式计算平均应力m和应力幅值a： 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。UIC规程：平均应力和应力幅值均采用代数求和方法； 动应力的确定 UIC615规程UIC615规程构架合成平均应力云图 UIC615规程构架合成动应力幅值云图UIC615规程构架合成动应力幅值云图UIC615规程构架合成动应力幅值云图UIC615规程构架合成动应力幅值云图UIC615规程评估方法（1） 静强

10、度评估方法根据UIC515/UIC615规程要求，在超常载荷作用下，结构上各点应力均不得大于材料的屈服极限和接头的许用应力。（2） 疲劳强度评估方法在模拟运营载荷作用下，构架结构上任意两种载荷工况所产生的应力差及平均应力应在相应材料或接头的Goodman极限线图的界限之内 。UIC615规程UIC615规程 按照UIC515/UIC615规程，并参照厂方技术专家提供的试验方案，该型转向架构架的有限元分析及静强度与疲劳强度评估结果表明：静强度和疲劳强度均满足要求 JIS技术条件静载荷平均应力m 与母材/接头许用应力比较评估静强度动载荷 应力幅a放入相应材料的疲劳极限图评估疲劳强度JIS技术条件

11、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(0.20.5)W由安装的零部件的振动引起的载荷侧梁上(12)LP制动件横梁上(35)LP牵引电机驱动装置端梁上(510)LP制动件排障器由驱动引起的载荷(0.20.4)La由制动引起的载荷Pf横向由横向振动和离心力引起的载荷(0.20.3)W由安装的零部件振动引起的载荷(24)LP牵引电机制动件纵向由纵向振动和牵引力引起的载荷(0.20.4)W由安装的零部件振动引起的载荷(13)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1015mm时的静载荷计算转向架构架动载荷说明表 （1）平均应

12、力m 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=W1W2W3W：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 a为动应力；1、2、n为由各动载荷计算的应力。对于脉动载荷所产生的应力i，则用该应力的1/2进行合成： JIS技术条件 JIS技术条件 b 材料的抗拉强度（MP

13、a）0 材料的屈服许用应力（MPa）W1、W2、W3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 动应力平均应力 疲劳评估 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，均应在疲劳极限图的界限之内。疲劳极限图应用举例：动车组转向架构架有限元分析及强度评估应用举例：动车组转向架构架有限元分析及强度评估应用举例：动车组转向架构架有限元分析及强度评估应用举例：动车组转向架构架有限元分析及强度评估应用举例：动车组转向架构架有限元分析及强度评估应用举例：动车组转向架构架有限元分析及强度评估应用举例：动车组转向架构架有限元分析及强度评估 在动车组转向架设计研制中，按照UIC规程或JIS技术条件中确定的“静载荷”和“动载荷”，通过有限元方法计算其应力，然后用Goodman图或疲劳极限图评估它们的疲劳强度。通过这几年对各种焊接转向架的安全评估表明：当其上最大动应力