转向架台架实验

城市轨道交通车辆机械检修6.7.2转向架台架实验教学目标通过本课程的学习，了解转向架构架胡疲劳强度及可靠性的设计原则，了解转向架结构强度、分析了解多通道载荷相位差对疲劳试验的影响，并讨论了虚拟试验的应用。教学重点1、虚拟试验模型及模拟方法；2、载荷相位差对应力影响仿真计算结果及讨论目录ConsistencyLoremipsumdolorsitamet,consecteturadipiscing.CoherenceLoremipsumdolorsitamet,consecteturadipiscing.TextClarityLoremipsumdolorsitamet,consecteturadipiscing.ColorLoremipsumdolorsitamet,consecteturadipiscing.InformationLoremipsumdolorsitamet,consecteturadipiscing.010203040501转向架台试验概述近几年铁道车辆向高速重在方向发展，动态服役条件恶化导致的转向架构架（以下简称构架）等关键部件疲劳破坏问题不断发生，严重制约了铁路运输现代化进程。对构架而言，疲劳强度及可靠性是主要的设计目标，台试验室验证结构强度、改进局部设计和最终验收的最主要要手段。常见的试验台布局如下图所示01转向架台试验概述01转向架台试验概述

台架试验标准UIC、TB、等规定了施加载荷计算方法及加载波形。但实际试验中，多通道液压加载协调控制、试验工装运动解耦设计及构架支撑悬挂方式等问题国内还没有进行过系统的研究，这些因素对实际加载波形相位有较大影响。由于物理试验规模较大，难以定量分析，本文通过虚拟样机技术建立了构架虚拟试验模型，分析了多通道载荷相位差对疲劳试验的影响，并讨论了虚拟试验的应用。01转向架台试验概述1、虚拟试验模型及模拟方法

对图1构架进行可知，试验台架可视为一个由作动器单元、工装机械机构、刚性龙门架、构架支撑装置以及构架组成的多体动力学系统。为了研究各试验因素对构架应力响应的影响，必须考虑构架柔性。因此，可建立一个刚柔耦合动力学系统模型作为虚拟试验模型模拟物理试验过程。01转向架台试验概述1.1刚-柔耦合动力学方程

刚柔耦合动力学计算包括以下两个方面内容：1、柔体参考系及运动学描述2、系统动力学方程建立及计算。

由于试验条件下构架处于弹性变形状态，本文采用浮动坐标系描述构架刚体运动伴随的小弹性变形运动。这种方法将部件刚体运动和变形运动解耦，有以下优点：小应变张量，线性有限元方法适用；可使用模态减缩综合方法降低计算量。

图3所示为系统的一个柔体。I为惯性坐标系，R为浮动坐标系。

01转向架台试验概述1.1刚-柔耦合动力学方程01转向架台试验概述1.1刚-柔耦合动力学方程弹性部件上任意一点的位移r、速度v和加速度a为：01转向架台试验概述1.1刚-柔耦合动力学方程01转向架台试验概述1.1刚-柔耦合动力学方程01转向架台试验概述1.2模态综合使用截断模态的线性叠加描述柔体的柔变形时，除去弹性体的主模态外还必须补充静力或位移作用下的静态响应模态，组成一个完备的模态集。使用静力（位移）相关模态代替截断的高阶主模态，一方面可以改善收敛性和提高精度。另一方面更好的放映了局部加载约束位置的变形情况。Craig-bampton

方法将柔体自由度分为界面自由度和内部自由度两个集合。通过模态分析得到柔体主模态：逐个对界面自由度施加单位位移，约束其他界面自由度得到约束模态。I表示内部，B表示界面。Ui为内部自由度，Ub为外部自由度，Fb为界面力。对自结构有01转向架台试验概述1.2模态综合01转向架台试验概述1.2模态综合01转向架台试验概述1.2模态综合

根据上述流程，分别创建拖车构架和和动车构架模型，图5-图8.两种模型不同之处是动车构架（动力分散，EMU）包括有电机、齿轮箱等驱动部件。根据试验规范要求，为模拟电机振动对构架产生的载荷，动车构架疲劳试验一般要求悬挂电机等驱动部件。01转向架台试验概述1.2模态综合01转向架台试验概述1.2模态综合

动车构架虚拟试验台包含弹性构架、电机驱动部件作动器单元和支撑约束单元。其中，电机驱动单元为架悬方式，与构架有铰接连接。垂向、横向和纵向作动器布置方式与上述拖车虚拟试验台相同，增加了横向减振器作动器和二系悬挂垂向减振器作动器。整个模型共有10通道作动器为构架加载，波形均为正弦波。01转向架台试验概述1.2模态综合载荷相位差对应力影响仿真计算结果及讨论通过改变作动器布置方式或加载波形及相位指导实际物理样机疲劳试验：被试构架弹性放置在台架的承座上。根据拖车试验规范，如图5所示，龙门架上布置两个垂向作动器，施加垂向静、动载荷；台架基座布置两个横向作动器施加横向动载荷。牵引拉杆座对应布置两个纵向作动器施加牵引静、动载荷。整个模型共有6个通道作动器为构架加载，波形均为正玄波。本文以拖车构架虚拟疲劳试验台为例，分析了上述功能的可行性。疲劳强度评定的基础是应力时间历程，根据公式（4），可求解应变时间历程：

01转向架台试验概述1.2模态综合01转向架台试验概述1.2模态综合选取构架前50阶主模态作为截断模态，与静态约束组成Craig-Bampton集。下图显示为第7阶应力模态：01转向架台试验概述1.2模态综合

对于第二个目的，本文比较了作动器两种加载形式对实验结果的影响，通过作动器载荷波形相位差，比较横梁最危险位置的动应变历程。两种计算工况下作动器波形如图11和图12所示，垂向与纵向作动器载荷波形的相位分别为0°和90°，波形如图11和图12所示：01转向架台试验概述1.2模态综合虚拟试验的应用

建立虚拟试验台主要有三个目的，一是在进行实际物理样机疲劳试验前通过模拟实际载荷条件预先确定结构强度薄弱位置加以改进。

应力时间历程确定后，根据材料的疲劳极限性能数据，根据DangVan多轴高周疲劳准则，可以确定构架安全系数和危险部位，如下图所示（为方便显示，取安全系数的倒数）：01转向架台试验概述1.2模态综合虚拟试验的应用01转向架台试验概述1.2模态综合虚拟试验的应用

根据图10计算结果，可以确认横梁拐角处安全系数最低。应加强焊接质量和工艺管理。三是通过刚-柔耦合动力学模型求解计算，全面掌握构架各部件应力应变状态，知道物理样机试验应变片放置位置，以获取关键部位的受力状态。

使用刚-柔耦合动力学模型求解结果，可以很方便的对弹性构架动应力历程可视化处理，这极大的方便了物理试验台架试验的贴片位置确定工作。下图即显示构架某一时刻动应力云图。

01转向架台试验概述1.2模态综合虚拟试验的应用01转向架台试验结论

通过对构架虚拟疲劳试验台刚-柔耦合动力学仿真计算，分析了虚拟试验方法在车辆转向架构架设计中的应用。在以后的研究工作中重点探讨虚拟试验对物理