[精品论文]基于三维CAD技术的铁路客车车辆构架可靠性设计论文

基于三维CAD技术的铁路客车车辆构架可靠性设计 Abstract摘 要铁道车辆构架是走行部的关键部件，对车辆运行安全性具有重大影响。分析构架的可靠性具有深远意义。本文分析了客车转向架的结构特点和构架受力情况。采用CAD/CAE技术，对构架模型进行三维建模，采用有限元分析软件对构架进行了离散化和有限元分析。研究了构架在多种载荷工况下的应力分布，找出了最大应力所在处。根据应力、强度干涉模型应用Ansys-PDS模块对构架的可靠性进行了分析计算，得到构架符合可靠性的结论。关键词：构架；建模；有限元；可靠性分析; SolidWorks；Ansys；AbstractRailway bogie frame is a key component of running gear, it has a significant impact to the running safety of vehicles. The reliability analysis framework has far-reaching significance. This paper analyzes the structural characteristics of passenger train and the force of the framework. Using CAD / CAE technology, architecture model three-dimensional modeling, finite element analysis software architecture for a discrete and finite element method. Studied architecture in a variety of load conditions of stress, find the maximum stress located. According to stress-strength interference model application Ansys-PDS framework module on the reliability of the analysis and calculation, the reliability of the conclusions are consistent with the framework.Keywords: framework; model building; finite element; reliability analysis ；SolidWorks; Ansys；II基于三维CAD技术的铁路客车车辆构架可靠性设计 目录目 录第一章 绪论11.1 铁道车辆构架及其作用11.1.1 转向架的简介11.1.2 转向架的基本作用及要求11.1.3 构架的简介21.1.4 构架的作用31.2 可靠性及其分析软件简介41.3 CAD/CAE技术简介41.3.1 CAD技术的基本原理41.3.2 现代CAD/CAE主要支撑软件51.4 本文研究的主要内容71.5 本文研究的意义7第二章 客车构架结构及载荷92.1 209型转向架92.2 构架承受的载荷102.2.1 垂直总载荷102.2.2 侧向力122.2.3 斜对称载荷132.3 约束、载荷位置的确定15第三章 基于SolidWorks的客车车辆构架三维建模173.1 SolidWorks及三维建模技术简介173.1.1 SolidWorks简介173.1.2 基于特征的零件建模173.2 209型转向架构架的三维模型的构建过程18第四章 构架模型静强度分析224.1 基于Cosmosworks的构架模型的有限元分析224.1.1 垂直总载荷的静态应力分析224.1.2 侧应力与垂直斜对称载荷的分析计算274.2 基于Ansys的构架模型的有限元分析30第五章 基于Ansys对构架进行可靠性分析375.1 Ansys可靠性分析的过程375.1.1 蒙特卡罗法简介375.1.2 蒙特卡罗法的基本步骤375.1.3 运用ANSYS软件进行结构可靠性分析385.1.4 响应面法简介395.1.5 进入概率分析模块，选定分析文件395.1.6 声明输入、输出变量395.1.7 选择概率分析方法395.1.8 运行概率分析405.1.9 查看概率分析的结果405.2 基于AnsysPDS模块的可靠性分析41第六章 总结与展望436.1 主要研究工作总结436.2 需要进一步研究的问题43致 谢45参考文献46IV基于三维CAD技术的铁路客车车辆构架可靠性设计 第一章 绪论第一章 绪论1.1 铁道车辆构架及其作用1.1.1 转向架的简介把两个或几个轮对用专门的构架（侧架）组成的一个小车，称为转向架。由于车辆的用途、运行条件、和检修能力及历史传统等因素的不同，使得转向架的类型非常多，结构各异。但它们又都具有转向架的共同特点，其基本作用和基本组成是相同的。转向架的组成可以分为以下几个部分：轮对轴箱装置、弹簧悬挂装置（包括弹簧装置、减震装置和定位装置等）、构架或侧架、基础制动装置、转向架支撑车体的装置。转向架的承载方式可以分为心盘集中承载（见图a）、非心盘承载（见图1-2）和心盘部分承载（见图1-3）三种。 图1-1 心盘集中承载 图1-2 非心盘承载 图1-3 心盘部分承载1.1.2 转向架的基本作用及要求1.车辆上采用转向架是为增加车辆的载重、长度与容积，提高列车运行速度，以满足铁路运输发展的需要；2.保证在正常运行条件下，车体都能可靠地坐落在转向架上，通过轴承装置使车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动；3.支撑车体，承受并传递从车体至轮对之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力。并使周中均匀分配；4.保证车辆安全运行。能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线；5.转向架的结构要便于弹簧装置的安装，使之具有良好的减震特性，以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行平稳性和安全性；6.充分利用轮轨之间的黏着，传递牵引力和制动力。放大制动缸所产生的制动力，使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车；7.转向架是车辆的一个独立部件。在转向架与车体之间使用尽量少的连接件，并要求结构简单，拆装方便。以便于转向架可进行独立制造和检修。22基于三维CAD技术的铁路客车车辆构架可靠性设计 第一章 绪论1.1.3 构架的简介 国产客车二轴转向架构架的型式主要有H型和U型两种。大多采用铸钢一体铸造，少数采用型钢、钢板或全部钢板焊接组合而成。各种构架、侧架的结构示意图、结构特点及侧架与摇枕的联系方式见表2-1：表2-1 客车转向架构架的结构示意图、结构特点及与摇枕的联系方式客车转向架构架式框架型构架H型构架U型构架结构示意图结构特点带有端梁及枞、横辅助梁，结构复杂，制造困难，自重大，构架的转动惯量大，现已很少采用无端梁及纵、横辅助梁，结构简单，利于制造，自重较小，强度、刚度仍然足够大便于实现外侧悬挂和提高弹簧上支撑面；侧梁中部下凹，利于降低构架重心和轴箱定位的设计，还可起摇枕安全吊的作用；结构比H型稍复杂，自重也较大构架与摇枕在水平面内的联系方式摇动台式摇动台式或无摇枕台式（用空气弹簧）摇动台式或无摇枕台式（中央弹簧直接坐于侧梁下凹部位的承载台上）转向架型号101型、201型、204型等202型、203型、205型、209（208）型等UD1型、UD2型、206型、207型等由上表可知结构简单，利于制造，自重较小，强度、刚度仍然足够大的H型构架同时兼顾了实用和易于建模和分析计算的条件。因此，选择H型构架为研究对象。由于构架大多采用铸钢一体铸造，少数采用型钢、钢板或全部钢板焊接组合而成。下面通过铸钢一体式和钢板焊接式的情况来选择。1.铸钢一体构架的优缺点：（1）强度、刚度大，断面形状、壁厚变化可根据需要设计，各梁连接处可圆滑过渡；（2）制造方便、维修少、成本低，有较高的抗锈蚀能力，寿命长；（3）构架机械加工后尺寸较准确，容易达到组装要求，一般无需调整和校正；（4）由于构架结构复杂，铸造技术要求较高，铸造壁厚受钢水流动性限制不能太薄，重量较大，加工面多，加工较困难。2.钢板焊接构架的优缺点（1）生产率高、周期短、加工少；（2）自重较铸钢构架小；（3）焊接变形较难控制，调整困难，易产生焊接热应力及焊缝缺陷，造成应力集中，降低构架强度，焊接接头结构复杂，有些地方焊接困难，且焊缝处易锈蚀，在冲击载荷及低温条件下已产生裂纹。因此，选择铸钢一体式的H型构架。查图纸后，选择了209型客车转向架的H型铸钢一体式构架做为可靠性。如图1-4 转向架构架模型。图 1-4 构架模型1.1.4 构架的作用 构架是机车转向架最关键的零部件之一，也是转向架其它各零部件的安装基础，在机车的牵引运行中起传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的作用，它直接与车辆运行安全性和平稳性有关。1.2 可靠性及其分析软件简介在工程分析中，我们建立的分析模型都是经过各种假设和理想化而得出的，事实上，真实设计的任何产品，其材料属性、加工公差、边界条件和载荷等总是具有不确定性,并且它们的真实值往往是无法得到的。所以，在有限元分析中的几乎所有输入参数都是不确定的，都具有一定程度的不确定性。这种不确定性就给分析带来误差，使分析结果与实际有较大的差别。完全消除输入参数的不确定性，在物理上是不现实的，在经济上也是不可行的，因为随着不确定性的减小，成本会增加，例如，产品的设计尺寸公差减小后，必须采用更高精度的加工设备，如果把加工公差无限减小，即使最先进的加工设备也是无法完成的。概率分析就是分析我们所建立的模型上的一些输入参数和假设的不确定性对分析结果的影响，并对结果进行判断，在不能完全消除输入参数的不确定性的情况下，提高产品的质量和可靠性。轨道车辆结构运用安全是轨道交通运输安全可靠的重要保障之一。复杂结构强度分析普遍运用有限元技术 ,然而常规的有限元法难以求解具有不确定参数的强度问题。近年来 ,随机有限元分析方法（将有限元分析法与结构可靠性理论结合起来）开始应用于航空航天器、桥梁、水坝等结构的强度分析 ,为解决复杂结构可靠性设计问题提供了一种新方法。本文运用 ANSYS 软件中参数化设计语言与蒙特卡罗法相结合的随机有限元法研究轨道车辆构架的强度可靠性 ,以车辆转向架构架为对象 ,选择载重参数为随机变量 ,在设定的统计分布情况下进行构架的强度可靠性分析。1.3 CAD/CAE技术简介1.3.1 CAD技术的基本原理计算机辅助设计（简称CAD）技术是产品设计人员在计算机系统的辅助之下，合理有效地进行产品设计和制造的一项新技术。CAD是传统设计与制造技术与现代计算机技术的有机结合。计算机辅助设计（Computer Aided Design, 简称CAD）是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和产品图绘制等工作。一般认为CAD系统应包括如下功能：草图设计、零件设计、工程分析、装配设计、产品数据交换等。CAD系统的功能模型如图1-5所示,其中矩形盒表示CAD系统实现的功能，左侧箭头表示CAD系统的输入，右侧箭头表示CAD系统的输出，下方箭头表示支持CAD系统工作的软硬件环境。图 1-5 CAD系统功能模块1.3.2 现代CAD/CAE主要支撑软件CAD技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。现在，工作站和微机平台CAD/CAE软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。下面我们将分别介绍国内外一些流行的软件。1、ANSYSANSYS软件是世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。 它融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。它主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。2、SolidWorksSolidWorks是由美国SolidWorks公司研制开发的基于特征的实体建模技术机械CAD系统。它采用自顶向下的设计方法，可以用来进行零件设计、装配设计和工程绘图。设计和绘图是在同一界面下同时进行的，可以减少设计的工作量。SolidWorks使用的特征分为草图和应用型两类：草图特征是以2D设计为基础的，一般地，这种草图可通过拉伸、旋转、扫描转化为实体。应用型特征是直接在实体模型上生成，如倒角和沟槽。SolidWorks支持Visual Basic、Visual C+或任何支持OLE的程序语言来做二次开发。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。3、AutoCADAutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。目前在CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。 AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。AutoCAD提供AutoLISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。在许多实际应用领域(如机械、建筑、电子)中，一些软件开发商在AutoCAD的基础上已开发出许多符合实际应用的软件。4、 Workbench Workbench是ANSYS公司专门为重新组合组件而设计的专用平台。它提供了一个加载和管理API的基本框架。在此框架中，各组件（API）通过Jscript、VBscript和HTML脚本语言组织，并编制适合自己的使用界面（GUI）。另外，第三方CAE技术和用户具有自主知识产权的技术也可以像ANSYS的技术一样编制成API溶入这个程序中。ANSYS公司提供各类与仿真相关API以及用户自己知识产权的API在Workbench环境下集成，形成应用程序。希望对某CAD虚拟样机分析时，从CAD系统中链接虚拟样机模型，在Workbench开发的应用程序中设置计算参数，如设计尺寸、工程材料或运行工况等，然后提交给希望的底层求解器求解。计算结果返回Workbench程序进行结果显示。若用户对当前的设计方案不满意，可重新设置参数，再求解，直到对当前的设计方案满意为止。这些满意的设计参数在此处通过双向互动参数传递功能，可以直接返回对应此模型的CAD软件中，生成候选的设计方案。1.4 本文研究的主要内容车辆结构的承载能力，根据标准所规定的各计算载荷及其组合的值，按以下指标进行评价：应力、变形、稳定性、疲劳强度。通过有限元分析方法对现有构架进行可靠性分析。通过分析的结果，判别其可靠性。由于要计算得到车辆构架静应力分布图和应力均值，所以需要了解转向架的承载方式。并对转向架构架进行精确建模，然后再对其通过使用有限元分析软件进行有限元分析计算，根据以上得到的转向架构架应力曲线、强度曲线和应力-强度干涉模型，。本文主要研究前一部分，即对转向架建立模型，并进行分析计算。运用CAD技术来实现基本功能，本文从以下几方面进行说明：1、对铁道车辆转向架构架精确建立模型查找转向架构架尺寸并按照国家标准尺寸，在SolidWorks中建立车辆转向架构架零件的模型，精确完成铁道车辆转向架构架的CAD设计模型的建立。2、以Cosmosworks和Ansys分别对模型进行分析计算。构架模型建立后，分别使用Cosmosworks和Ansys软件对其进行在载荷作用下的有限元分析及计算，得到车辆构架静应力分布图。3.通过得到的结果对构架进行可靠性分析，由于模拟的情况不可能完全与实际一样。而实验时不能完全考虑到所用的情况，有些参数的取值并不完全准确，因此对求得结果的可靠性分析变得尤为重要。1.5 本文研究的意义构架是机车转向架最关键的零部件之一，也是转向架其它各零部件的安装基础，在机车的牵引运行中起传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的作用，它直接与车辆运行安全性和平稳性有关。因此，机车转向架构架的可靠性对机车的性能和安全性有重大影响。传统的转向架构架强度的可靠性评价大多通过物理样机的某些试验，再通过金属探伤、磁电探伤等方法来检验，成本高，开发周期长。所以，使用有限元的理论对转向架构架建模，并利用有限元分析软件对其进行应力分析和强度计算来确保机车转向架构架的可靠性有重大意义。基于三维CAD技术的铁路客车车辆构架可靠性设计 第二章 客车构架结构及载荷第二章 客车构架结构及载荷2.1 209型转向架 209 转向架是浦镇厂在 205 转向架的基础上研制的，于 1975 年开始批量生产。它采用 H 型构架，导柱式轴箱定位装置，摇动台式摇枕弹簧悬挂装置，长吊杆，构架外侧悬挂，两高圆弹簧，摇枕弹簧带油压减振器，吊挂式闸瓦基础制动装置等。 1980 年后，又生产了具有弹性定位套的轴箱定位结构和牵引拉杆装置的 209T 转向架。在此基础上，还生产了采用盘型制动的 209P 转向架。 在 209T 转向架的基础上，浦镇厂又开发了供双层客车使用的 209PK 转向架，其构造速度为 160km/h 。主要有以下方面的改进：采用盘型制动和单元制动缸，取消踏面制动；设空重调整阀；采用空气弹簧和高度调整阀；安装抗侧滚扭杆；保留了摇动台结构。 209PK 转向架中 P 代表盘型制动， K 代表空气弹簧。一般长途旅客列车中编挂的车种有硬座车、硬卧车、软卧车、餐车、行李车、邮政车。本文以硬座209型转向架为例进行构架可靠性研究。查参考资料1，得知YZ22硬座209型客车转向架的一些基本参数见表2-1。表2-1 209型客车转向架的一些基本参数项目YZ22硬座车构造速度（km/h）160心盘允许最大载荷（t）24.5固定轴距2400车轮直径915车轴型号RCOA轴承型号42724T152724T自重下心盘面距轨面高（mm）780自重下旁承面距轨面高（mm）1016轴箱定位方式干摩擦套支柱定位式弹簧装置型式两系螺旋弹簧减震方式及阻尼系数（kg*s/cm）摇枕弹簧处垂直装油压减震器2*100摇枕吊有效长度（mm）590摇枕吊倾角0摇枕纵向及横向缓冲装置橡胶挡载重下弹簧总静挠度（mm）184摇枕弹簧静挠度131轴向弹簧静挠度53旁承左右中心距离（mm）2390摇枕弹簧中心距离（mm）2510轴箱弹簧左右中心距离（mm）1930构架侧梁左右中心距离（mm）1943基础制动装置复式制动、中磷闸瓦每台转向架制动倍率4轨距（mm）1435每台转向架重量（t）6.48构架材料ZG25构架重量（kg）9922.2 构架承受的载荷 设计车辆及其零部件时，应当保证承受运用载荷的各构件均具有必要的承载能力。根据TBT 23681993内燃、电力机车转向架构架静强度试验方法，机车车辆转向架构架的计算工况由不同类别的载荷工况组合而成。总体上分为两大类：组合载荷工况和独立载荷工况。组合载荷工况主要对各种极限载荷情况进行模拟，考察构架是否有足够的静强度满足这些极限情况；独立载荷工况则用于考核构架的疲劳强度。本文通过验证构架的静强度来达到构架可靠性的设计。客车转向架静强度实验包括三项基本实验：垂直总载荷试验、侧向力试验和垂直斜对称载荷试验。2.2.1 垂直总载荷垂直总载和包括垂直静载荷和垂直动载荷两种载荷。垂直总载荷在构架上的示意图，见图2-1，竖直向下的为载荷，向上的力为约束。 图2-1 垂直总载荷示意图1、 垂直静载荷垂向静载荷包括自重、载重和整备重量。车体自重与转向架自重之和称为车辆自重。车体及转向架自重是本身结构以及附于其上的所有固定设备的附件的重量之和。客车载重包括旅客及其自带行李和乘务人员等的重量。坐车的旅客人数分两种情况：长途客车按定员总数加50超员计算，此时每一旅客及其自带行李的重量之和取为80kg。整备重量(如水、冰、燃料和食品等)按照装满备足的情况考虑。（中华人民共和国铁道行业标准 TB/T 13351996）由于所选车辆为长途客车硬座车，转向架为209型。查参考资料【3】得到我国各型客车的重量，见表2-3表2-3 22型硬座客车重量自重定员（人）载重总重42.3t118+5914.16t58.46查参考资料【3】得知：22型客车车体自重32t。查参考资料【1】得知，构架重0.992t，摇枕弹簧装置重量：1.543t。查参考资料【2】得到整备质量为1t。垂直静载荷的计算有两种方法：根据车体实际质量计算（俗称“自上而下”的计算方法）和根据最大允许轴重计算（俗称“自下而上”的计算方法）。本文应用自上而下的计算方法。作用在转向架心盘上的垂直静载荷Pst是按照车体实际总重（t）来考虑，即 Pst=0.5（车体总重）*g=0.5（车体自重+载重+整备质量）*g（kN） （2-1）作用在转向架上任一构件上的垂直静载荷Pst1 Pst1=（Pst+gPT1）/m（kN） （2-2）式中：PT1-垂直静载荷自心盘传递至计算构件所经过的所有零件质量之和（包括计算构件本身的质量）（t）；m-一台转向架中平行受力的同名计算构件的数目。由于一节车厢有两个转向架,故单个转向架上的载重为：（车体自重+载重+（构架重+摇枕弹簧装置重量）*2+整备质量）/2=(32+14.16+(0.992+1.543)*2+1)/2= 26.115t2、垂直动载荷垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数而定。 垂向动荷系数按式(2-3)计算：Kdy = （2-3）Kdy垂向动荷系数； fj车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度(对于变刚度弹簧，静挠度值为垂向静载荷与相应载荷下的弹簧刚度之比)mm； v车辆的构造速度，kmh； b系数，取值为0.05； d系数，货车取值为1.65，客车取值为3.0； a系数，簧上部分(包括摇枕)取值为1.50，簧下部分(轮对除外)取值为3.50； c系数，簧上部分(包括摇枕)取值为0.427，簧下部分(轮对除外)取值为0.569。 具有二系弹簧的转向架构架，垂向动荷系数按式(2-4)计算: （2-4）式中：Kdys簧上部分的垂向动荷系数； Kdyx簧下部分的垂向动荷系数； fjy播枕弹簧静挠度，mm； fjz轴箱弹簧静挠度，mm； fj转向架的弹簧静挠度(= fjy+fjz ).世界各国的客车，大多数采用两系悬挂装置，即轮对与转向架构架之间设置第一系弹簧悬挂装置（轴箱悬挂装置），转向架构架与车体之间设置第二系弹性悬挂装置（摇枕悬挂装置），使车辆具有良好的运行品质，改善旅客舒适条件。显然，209型转向架是二系悬挂。所以：Kdys=1/131*（1.5+0.05*160）+3*0.427/（131）0.5 =9.5/131+0.1119=0.18444Kdyx= 1/53*（3.5+0.05*160）+3*0.569/（53）0.5 = 0.21698+0.23447=0.45146Kdy=0.18444+(0.45146-0.18444)*131/184=0.43333所以：垂直总载荷=垂直静载荷+垂直动载荷= (1+0.43333)* 52.23t=74.86t作用在构架上的每个吊杆支承座上的垂直载荷=垂直总载荷/16=4678.936752kg=45884.695N2.2.2 侧向力侧向力包括离心惯性力和风力。1、在计算离心惯性力时，将车体和转向架分别加以考虑。在强度设计中，为简化计算，亦可假定转向架重心位于轮轴中心线同一高度上；车体重心距轮轴中心线的垂向高度：客车为1 600mm，货车为1 800mm。 如果在设计任务书中没有特殊规定离心惯性力，则客车按垂向静载荷的10取值；货车按垂向静载荷的7.5取值。 所以，其离心惯性力为：52230kgf*10%=5223kgf=51220.13295N（Kgf表示千克力，是工程单位制中力的主单位。1Kgf的含义是在地表质量为1Kg的物体受到的重力的大小。所以1kgf= 9.80665N）2、风力按单位风压力乘以车体(或转向架)的侧向投影面积计算风力的合力作用于投影面积的形心上，单位风压力可取540Pa。车厢外壳，查资料【2】得知YZ22硬座客车车体长2360mm,车体宽度（扶手等除外）3106mm,车顶距轨面高度4283mm,车体中部内高2795mm。则车体高度可认为2.8m。车厢承受的风力为23.6*2.8*540=35683.2N所以，侧向力为：51220.13295+35683.2=86903.33295N作用在构架上的每个吊杆支承座上的垂直载荷按式2-5计算 Pn=Hkh/（2*m0*t） （2-5）式中：Hk侧向力，N；m0车辆一侧的轴箱数（即车辆的轴数）；h 车体侧向力至车轴中心线所在水平面之间的垂直距离，m；t 构架摇动台吊杆销孔间的水平距离，m。查资料得知，m0=4，h=1.6m，t=2.39m。所以，Pn=86903.33295*1.6/（2*4*2.39）=7272.2454N侧向力在每个构架上引起的水平载荷为：Hk/2=43451.666N。则作用在横梁上的载荷为：Hk/4=21725.833N构架在侧向力引起的垂直增减载作用下的受力情况见示意图2-2，Pn为载荷，Pf为轴箱对构架的约束力。图2-2 构架在侧向力引起的垂直静载作用下的受力情况2.2.3 斜对称载荷斜对称载荷是一组作用在构架上，反对称于构架两对称轴的相互平衡的垂向力系，其值按式(2-6)计算： Q=2.68L2 （2-6） 式中：Q斜对称载荷，N； L2车轴两端轴颈中心之间的距离，m； C1一个轴箱上轴箱弹簧组的总刚度，Nmm； C2转向架抵抗斜对称载荷的刚度，Nmm； C2=1/； 位移量，mm。 此处为斜对称载荷Q=1N时，在构架上该载荷作用点沿力Q方向的位移。 查资料【1】得知转向架上弹簧刚度，见表2-4。表2-4 209型转向架上弹簧刚度车型YZ22转型209轴向弹簧总刚度（kgf/mm）415.2摇枕弹簧总刚度（kgf/mm）224.54（允许超员50%）转向架弹簧总刚度（kgf/mm）154.73每台转向架有四个轴箱，因此：C1=415.2/4=103.8kgf/mm 则C1=103.8kgf/mm=1017.93027N/mmC2的数值无法查到资料，因此我们可以实际加载载荷进行估量。见图2-4得到得到的数值，其的数量级为10的负9次方，单位是m。所以，C2的数量级为5次方，远大于C1，计算公式可以简化：Q2.68L2*C1L2车轴两端轴颈中心之间的距离，查资料【1】知，L2=1.956m 故：Q2.68L2*C1=2.68*1.956*1017.93027=5336.0719N（比实际载荷偏大）。垂直斜对称载荷示意图，见图2-3。图2-3 垂直斜对称载荷示意图图2-4 斜对称载荷为1N时的位移情况2.3 约束、载荷位置的确定在机车转向架构架的有限元计算分析过程中，施加约束和载荷的原则是在构架主动施力处施加载荷，被动受力处施加约束。转向架承载型式分为心盘承载、旁承承载和心盘与旁承共同承载三种。而本文所选的转向架为心盘承载，从心盘到转向架构架则是通过摇枕吊销传递的作用载荷。转向架的约束和载荷的作用部位可以从其装配约束及转向架的组装全图中看出。而209转向架垂直载荷的传导顺序：车体上心盘下心盘摇枕枕弹簧及油压减振器弹簧托梁摇枕吊轴摇枕吊摇枕吊销基座吊座托架构架侧梁轴箱弹簧支柱座轴箱弹簧支持环橡胶缓冲垫轴箱弹簧托盘轴箱轴承轴颈车轮钢轨。所以，构架受力处为构架支撑板处吊座托架。转向架的各零件间的装配约束顺序如图2-5所示，转向架完整的三维模型，如图3-4-3所示，侧向力会产生水平方向的横向载荷，作用在横梁上。在实验加载时，可置于吊座托架的侧向支撑板上。1. 摇枕装置 2.一系悬挂装置 3.轮对轴箱装置 4.二系悬挂装置 5.构架装置图2-5转向架装配顺序图图2-6 转向架三维模型第三章 基于SolidWorks的客车车辆构架三维建模3.1 SolidWorks及三维建模技术简介3.1.1 SolidWorks简介SolidWorks是基于Windows平台的优秀三维设计软件，采用参数化和特征造型技术，能方便、快捷地创建任何负载形状的实体。具体有参数化的实体能够通过对尺寸的修改来进行编辑，实现参数驱动。在产品开发整个周期中，不断存在着设计变更，参数化的建模方式大大增强了设计的灵活性，方便工程师实现设计意图。SolidWorks是一个采用先进设计理念的三维设计软件，其领域不仅仅局限于机械设计，在产品造型方面也有很好的表现。SolidWorks同很多流行的三维设计一样，采用基于特征的参数化实体建模方式，同时SolidWorks 提供了大量的API对象用于二次开发，这些对象涵盖了大部分的SolidWorks的数据模型，通过对这些对象属性的设置和方法的调用，可以完成零件的建造、修改；零件各种特征的建立、修改、删除、压缩等各项控制；零件特征信息的提取。3.1.2 基于特征的零件建模特征造型是几何造型的自然延伸。它从工程的角度，对形体的各个组成部分及其特征进行定义，使所描述的形体信息更具工程意义。特征技术的采用使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素。特征的引用直接体现设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样也更容易修改，设计人员可以将更多精力用在创造性构思上。由于特征与零件类型及工程应用相关，因此，在不同的应用中，特征具有不同的含义和表达式，从而导致特征数量无法估计，不利于特征表达的规范化。对特征分类可从不同角度出发，但从某一具体零件的角度出发，SolidWorks中的特征应有如下几类：(1) 基体特征(2) 工程特征(3) 对特征的操作(4) 基准类特征SolidWorks 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁 特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。3.2 209型转向架构架的三维模型的构建过程在零件的设计过程中，就给定零件正确的材料属性,这样便于在分析计算时得到正确的计算结果。并可以以此进行简单的验证所做模型是否正确。也可以在模型分析时进行设定。如图3-1所示： 图3-1 材质编辑器转向架构成：构架、轮对轴箱弹簧装置、摇枕弹簧装置、基础制动装置。209型转向架构架采用铸钢一体式的H形构架。由于构架是转向架的主要部件，它把转向架各种零部件组合成一个总体，因此，它的结构、形状和大小应满足有关零部件组装的需要。构架由两根横梁、两根测梁和四段小端梁所组成。构架的轮廓尺寸（长*宽*高）为3550*2620*350（mm），各梁均为箱型断面，壁厚为1416mm。在测梁与横梁交接处的外侧铸有四个摇枕吊杆托架。在测梁下面位于横梁与端梁之间共有八个轴箱弹簧支柱座。通过查找相关资料，和有关铁道车辆手册，在SolidWorks零件图环境下，按照零件各个部分的特征面通过拉伸操作、抽壳、构建基准平面并在其上画特征平面拉伸切除和使用角撑板等建模方法，以转向架构架为参考，按国家标准尺寸，依次建立各零件，并设置好材料属性，最后得到的构架模型。首先是熟悉Solidworks的构建环境并选择正确的基准。由于构架模型有比较简单的对称结构。可以以构架的中心（左右侧梁的对称面和前后对称面和侧梁的水平对称面的交点）作为坐标原点。以左右侧梁的对称面作为前视图的基准面，以前后对称面为右视图的基准面。在上视图中的基准面中建立侧梁中部的上视面得特征草图，拉伸高度为240mm，如图3-2。图3-2 侧梁中部的拉伸以侧梁中部模型的后视面为基准面画出侧梁端部的后视特征草图并拉伸150mm。然后以新模型的两个端面为开口面，四个侧面为立壁和上下壁，进行抽壳操作。抽壳后的模型见图3-3。图3-3 抽壳后的一半侧梁模型 然后，以与右视面平行的一个平面作基准面，做出构架横梁的拉伸建模。如图3-4。图3-4 横梁的画出再在新建横梁的右视面向里14mm，建基准面。在基准面上画出需切除部分的右视草图，拉伸切除后，得到需求壁厚的横梁，如图3-5。图3-5 切除后的横梁经过几次的拉伸、切除，倒角等操作。得到构架1/4的模型，如图3-6。注意到构架是严格左右对称的，所以在建模过程中，只需建好1/2的实体，再运用SolidWorks的镜向工具，即可快速的建立模型。以右视基准面做镜像平面并画小端梁后，得到构架1/2模型，如图3-7。以前视面做基准面镜像后得到209型转向架构架的完整模型，见图3-8。模型建立后，需要另存个*.x_t格式。以便导入Ansys进行分析。图3-6构架装置1/4模型图3-7 构架装置1/2模型图3-8 构架模型基于三维CAD技术的铁路客车车辆构架可靠性设计 第四章 构架模型静强度分析第四章 构架模型静强度分析4.1 基于Cosmosworks的构架模型的有限元分析Cosmosworks是Solidworks中的一个重要插件，它可对模型进行静态和动态载荷的分析及疲劳载荷的分析计算。本文基于SolidWorks 建模，并以Comsworks对模型进行简单的分析应用，即：零件的静态应力分析 Static (Stress) Analysis of a Part。4.1.1 垂直总载荷的静态应力分析零件的静态应力分析的一般步骤如下：1、为零件指定材料由于209型转向架构架的材料为ZG25Solidworks材料数据库中没有现的。因此，需要新建材料数据。查资料【3】得知钢制零件材料的机械性能 见表4-1表4-1 钢制零件材料的机械性能项目数值弹性模数E（MPa）轧制钢件 E=2.1*105铸钢件 E=1.75*105剪切弹性模数G(MPa)G=E/(2*(1+) =0.3冲击韧性（Nm/cm2）常温冲击值60-40低温冲击值30在Solidworks零件界面中，打开材质编辑器，在材料（M）选项下选中一个选项，点击生成/编辑材料，如图4-1。图4-1 打开材料数据库界面 点击后，进入材料数据库信息界面，选择，如下图4-2，点击后，进入新材质数据存储界面，将文件名改为zg25.sldmat。图4-2 选择新材质数据库 保存后，回到材料数据库信息界面，进行修改，并按照查得的资料对新材质的物理性质进行定义，如图4-3。图4-3编辑新材料2.生成静态分析算例单击 COSMOS AnalysisManager 标签。单击 COSMOSWorks 主工具栏上的算例。在 PropertyManager 的名称下：应用实体网格模式，直接点击确定即可。确定后，在算例下的实体图标上单击右键，选中应用材料到所有（M），然后再在材料界面中修改材料的物理属性(也可在此界面中新编辑材料的物理性质)，如图4-4，点击保存并点击确定，新的材料便应用到模型上了。图4-4 材料的编辑3.应用约束和压力载荷 对于静态分析，必须应用足够的约束来稳定模型。在此，我们将固定零件的弹簧底座的面。单击 COSMOSWorks 载荷工具栏上的约束。屏幕上将出现约束 PropertyManager。在类型下，选择不可移动（无平移）。在图形区域中，单击四个弹簧底座孔的面（如图4-5显示）。同理，其对称约束如图4-6所示。图4-5 1/2构架上的无平移约束图4-6 1/2构架的对称约束约束应用在模型上后，需要对模型上加载载荷。单击 COSMOSWorks 载荷工具栏上的压力。压力 PropertyManager 出现。在压力类型下，单击垂直于所选面。在图形区域中，选择构架侧梁上的支撑板上的摇枕吊杆支座。在压力值选项下，键入所求的数据。确定即可。4.设定网格化选项和网格化零件右键单击网格图标，选择网格划分。在弹出的界面上选择对模型进行网格划分的合适的精确度（太精确时可能网格化失败），确定