（光学工程专业论文）crh2动车组拖车构架强度分析.pdf

b 塞窑道厶堂亟堂位i 金塞主塞遁壁 中文摘要 摘要：从2 0 0 7 年4 月1 8 同起，中国铁路实行第六次大面积提速，开行时速 达2 0 0 至2 5 0 公罩的c r h 2 动车组。由于动车组运行速度较高，致使轮轨动力作用 增加，转向架承受载荷增大，因而转向架构架关键部位的疲劳强度问题更加突出。 c r h 2 动车组转向架拖车构架的制造技术条件和设计标准均参照了闩本工业标准 j i se4 2 0 7 铁路车辆一转向架转向架构架设计通则，该标准是否适用于在我国线 路上运行的c r h 2 动车组的拖车转向架构架强度设计，需要通过仿真计算和试验研 究来评价。 本论文参照j i se4 2 0 7 标准，应用大型有限元分析软件a n s y s ，对c r h 2 动 车组拖车构架进行有限元计算，计算结果表明，c r h 2 动车组拖车构架主结构及其 各支吊座的等效应力均小于相应的焊缝和铸钢母材的疲劳许用应力，说明动车组 拖车构架可以满足安全运行9 0 0 万公里的要求。 在我国新建线路胶济客运专线和既有线路遂渝、京沪、浙赣、京广和京哈线 上，对动车组试运行时拖车构架各关键部位的动应力进行测试，并对实测数据进 行处理，得到构架各关键部位的等效应力，通过与各测点部位所对应的疲劳许用 应力进行比较，得出各测点的疲劳强度均能满足动车组在我国线路上安全运行9 0 0 万公里的要求。 通过将实测等效应力与仿真计算结果进行比较和分析，得出j l se4 2 0 7 铁路 车辆转向架转向架构架设计通则适用于在我国线路上运行的c r h ：动车组的拖 车转向架构架强度设计。 关键词：c r h 2 动车组；构架；有限元：静强度；疲劳强度 分类号： j e 巫窑迪厶堂砸堂垃监塞旦s i 丛! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h es i x t hl a r g e s c a l es p e e d 一印o fc h i n ar a i l w a yi sp u ti n t op r a c t i c e f r o ma p r i l1 8 ”2 0 0 7 t h ec r h 2e l e c t r i cm u l t i p l eu n i tr a i l c a r s e t ( e m u ) w h i c hc o u l dr u n 2 0 0t i l l2 5 0k i l o m e t e r sp e rh o u ri sr u n n i n g b e c a u s eo fh i 曲s p e e d ，t h ed y n a m i c l o a d s t r e s so fc r h 2b o g i ei n c r e a s eo b v i o u s l yt h a no r d i n a r yb o g i e s ot h ef a t i g u es t r e n g t h p r o b l e mo ft h eb o g i ei sm o r ei m p o r t a n t t h em a n u f a c t u r i n go fc r i - 1 2t r a i l e rb o g i ei s a c c o r d i n gt oj a p a n e s ei n d u s t r ys t a n d a r dj i se4 2 0 7 ”r a i l r o a dc a r b o g i e b o g i ef r a m e d e s i g ng e n e r a lr u l e , a n dw h e t h e ri ti sp r o p e rf o rc r h 2e m ui no u rc o u n t r yn e e d st o a p p r a i s et h r o u g hs i m u l a t i o nc o m p u t a t i o na n dt e s tr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h el a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sw a su s e dt o c a r r yo nt h ec o m p u t a t i o na n a l y s i sr e f e rt oj i se4 2 0 7s t a n d a r d s ，t h ec o m p u t e dr e s u l t i n d i c a t e st h a t , t h ee q u i v a l e n ts t r e s so ft h em a i nb o g i es t r u c t u r ea n di m p o r t a n tp e d e s t a l s i ss m a l l e rt h a nt h ea l l o w a b l es t r e s so f c o r r e s p o n d i n gw e l d e d j o i n ta n dt h ec a s ts t e e lb a s e m e t a l t h eb o g i em e e t st h er e q u i r e m e n to f r u n n i n g9m i l l i o nk i l o m e t e r ss a f e l y o nt h ej i a o j i ，s u i y n j i n g h u ，z h e g a n j i n g g u a n ga n dj i n g h al i n e s ，d y n a m i c l o a ds t r e s so n c r h 2t r a i l e rb o g i ew a st e s ta n dt h em e a s u r e dd a t aw a sp r o c e s s e d ，t h ee q u i v a l e n ts t r e s s w a so b t a i n e d c o m p a r i s o nw i t hf a t i g u ea l l o w a b l es t r e s ss h o w e st h a tt h eb o g i em e e t st h e r e q u i r e m e n to f r u n n i n g9m i l l i o nk i l o m e t e r ss a f e l yo nc h i n e s el i n e s t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i sw a sc a r r yo i lt h r o u g l lt h ea c t u a le q u i v a l e n ts t r e s sa n d t h es i m u l a t i o nc o m p u t e dr e s u l t ，t h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w e st h a tj i se 4 2 0 7 ”r a i l r o a dc a l - b o g i e b o g i ef r a m ed e s i g ng e n e r a lr u l e ”i ss u i t a b l et oi x ) e r i ef t a m es t r e n g t hd e s i g n o f c r h 2t r a i l e rr m m i n go nc h i n e s el i n e s k e y w o r d s ：c r h 2e m u ；b o g i e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i cs t r e n g t h ；f a t i g u es t r e n g t h c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：考矾 签字日期：弘0 7 年2 月1 7e l 新躲恤羚 签字日期： p 1 年f t 月f 日 e 宝窑堑厶鲎亟= ：i 兰位途塞独剑挂应明 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究i ：作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成累，也 不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证l s 而使h j 过的材料。与我一同l ：作的 同忠对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：左丽7 皇鳓 签字日期：2 0 0 71 2 月1 4 日 致谢 本论文的工作是在我的导师任尊松副教授的悉心指导下完成的，任老师严谨 的工作作风、实事求是的治学精神、谦逊的品格以及不断吸收新的学术思想的科 学态度使本人深得教诲并将受益终生。在此衷心感谢三年来任老师对我的关心和 指导。 缪龙秀教授、孙守光教授、李强教授、谢基龙教授、刘志明教授、金新灿老 师和王文静老师对本人的论文工作提出了许多建设性的意见和建议，使本人受益 匪浅。此外，在本人的科研工作中，邹华老师也给予了本人悉心的指导，在此向 所有老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室全体同学对我论文中的研究工作给予 了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 e 鏖窑堑厶翌童些亟堂位i 金塞! 绪论 1 1 研究背景及意义 1 绪论 根据铁道部“引进、消化吸收、再创新”的总体战略部署，北京交通大学结 构强度检测实验室与南车四方机车车辆股份有限公司密切合作，共同承担了“动 车组车体与转向架强度”项目。本文对c r h 2 动车组拖车转向架构架进行有限 元计算和结构强度分析，为上述项目的完成提供科学依据。 从2 0 0 7 年4 月1 8 同零时起，中国铁路实行第六次大面积提速。开行时速达 2 0 0 公里至2 5 0 公里的动车组是本次大提速的核心。所谓动车组就是由若干动力 车和拖车或全部由动力车长期固定连挂在一起组成的车组，在牵引动力的配置上 属分散配置型，不同于传统的牵引动力集中配置型。c r h 2 动车组采用4 辆动车 和4 辆拖车的8 辆编组形式。动车组的关键部件是转向架，它支承车体并使之在 轨道上运行，亦称走行部。其中构架又是转向架的关键部件，是安装各种零部件 的载体，承受和传递垂向力、水平力和扭矩等。为实现车辆的高速化，动车组采 用了轻量化的构架结构，因此正确评价转向架构架的结构强度是非常重要的。 c r h 2 动车组构架的制造技术条件和设计标准均参照了日本工业标准j i se 4 2 0 7 铁路车辆一转向架转向架构架设计通则，该标准是否适用于在我国线路 上运行的c r h z 动车组，需要通过仿真计算和试验研究来评价。随着我国铁道车 辆运行速度的不断提高，为了确保行车安全，人们对高速转向架构架的疲劳强度 设计给予了高度重视，希望通过大量的试验研究，制定出符合我国国情的高速转 向架构架强度设计规范。有鉴于此，本文参照j i se4 2 0 7 通则采用有限元法对 c r h 2 动车组拖车转向架构架进行强度分析，以考察其结构强度是否满足安全运 行要求，并实测动车组试运行时构架各关键部位的动应力，与有限元仿真计算结 果进行比较分析，评价j i se4 2 0 7 标准对于在我国线路上运行的c i m 2 动车组的 拖车转向架构架强度设计的适用性，为制定符合我国国情的高速转向架构架强度 设计规范提供科学依据。 1 2 我国动车组的发展现状 改革开放以来，我国国民经济保持了快速增长的良好势头，特别是进入新世 纪以来，国内生产总值每年以9 5 的幅度递增，经济总量已上升至世界第四位。 国民经济的持续快速增长，对交通运输基础设施建设发展提出了迫切要求。但与 g 丞窑适厶堂主些亟鲎位i 金塞! 绪论 国民经济发展形势以及其他交通方式相比，我国铁路建设和发展，可重滞后，运输 生产力不适应经济社会发展的矛盾 常尖锐，铁路货物运输仅能满足社会需求的 3 5 左右，我国人均乘火车还不到一次，特别在春暑运和黄会周期间，一票难求 的问题十分突出，社会反映十分强烈，铁路运输能力的严重不足，己成为经济社 会又好又快发展的不和谐因素。对此，党中央、国务院高度重视，对加快铁路建 设发展提出了要求，铁路部门也一直在谋求解决这个问题的途径。从我国的实际 情况来说，解决铁路”瓶颈i i 带0 约问题只有两条途径，一是加快铁路路网建设，这 是解决根本问题的；二是通过内涵扩大再生产，充分挖掘既有线潜力，这是解决 当前问题的。但无论是从眼前、还是长远来看，铁路的建设发展都离不开先进技 术装备的支撑。尽管多年来，我国技术装备水平不断提高，但由于历史的原因， 整体水平只相当于发达国家上个世纪7 0 年代的水平，差距很大。如果仅仅依靠 我们自身的力量，要赶上世界先进水平，不仅技术上难度很大，而且至少需要十 几年甚至更长时间，这就可能使我们丧失发展的机遇，经济社会的快速发展也不 容我们花费这么长的时间。因此，充分利用经济全球化的契机，吸收和借鉴世界 先进技术文明成果，发挥我们的后发优势和巨大的市场优势，走技术引进消化吸 收再创新之路，用较短的时间和较小的代价，实现中国铁路技术装备现代化，是 我们必然的选择。 2 0 0 4 年前后，党中央、国务院领导多次组织召开专门会议，研究铁路建设 发展问题，在审议通过了我国铁路史上第一个中长期铁路网规划以后，又确 定了推进铁路技术装备现代化”引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”的 总体方针，明确了铁路技术装备现代化的方向、方法和目标。按照这一要求，经 过大量的研究论证和反复比选，铁道部确定了实施我国铁路装备现代化的具体方 案。一是瞄准世界铁路装备技术制高点，锁定当今国际上最先进、最成熟、最可 靠的技术，进行引进消化吸收再创新，使我们一开始就站在高起点上二是以铁 道部为主导，以国内企业为主体，以掌握核心技术为目标，实现先进技术的引进 和转让。三是利用我国铁路巨大的市场，形成一个拳头，联合国内科研、设计、 制造企业，实现低成本引进。四是在我们已有技术积累的基础上，坚持原始创新、 集成创新和引进消化吸收再创新相结合，着力提高国内企业创新能力，扶持民族 工业发展，实现本土化生产，打造中国品牌。五是用3 5 年的时间，实现我国铁 路技术装备水平的快速提升、运输能力的快速扩充，以适应经济社会又好又快发 展对铁路运输的迫切要求。按照这样的方略，一场波澜壮阔的中国铁路技术装备 现代化建设工程全面展开。 在党中央、国务院的大力支持下，经过铁路部门和相关企业单位历经4 年的 艰苦努力，以第六次大提速的成功实施为标志，我国铁路技术装备现代化已经取 2 巫銮堑厶：羔主些亟堂垃监塞! 绪途 得了重大成果。 铁路技术装备现代化成果，在第六次大面积提速调图中得到集中展示，发挥 了重要作用。时速2 0 0 公里及以上动车组已投用5 2 组，开行2 5 6 列动车组列车。 大功率电力机车已投用6 8 台，在京沪、京广线上担当时速1 2 0 公里、5 0 0 0 吨级 货物列车的牵引任务。随着动车组和大功率机车的投入使用，以及对运输组织的 优化，铁路运输能力大幅提升。到今年底，动车组将达到1 6 0 组，大功率机车预 计达到4 4 8 台，2 0 1 0 年将分别增加到7 0 0 组和1 5 0 0 台以上。届时，动车组列车 开行数量将大幅增加，大功率机车覆盖主要干线，我国铁路技术装备总体水平显 著提高m 。 随着铁道车辆运行速度的不断提高，为了确保行车安全，人们对高速转向架 构架结构的疲劳强度设计给予了高度重视，希望通过大量的试验研究，制定出符 合我国国情的构架疲劳强度分析和评价体系。目i i 国际上应用范围较广的构架疲 劳强度评价体系有欧洲铁路联盟( u i c ) 规程中u i c5 1 5 4 ( o ) 客运车辆一转向架及 走行部一转向架构架强度试验和u i c6 1 5 4 ( 0 r ) 动车组转向架及走行部转向 架构架强度试验以及日本铁路车辆工业协会组织起草的铁道车辆用转向架构 架设计通用规则，此规则于1 9 8 4 年1 月列为日本工业标准j i se4 2 0 7 ，即铁 路车辆一转向架转向架构架设计通则吼 我国在1 9 9 5 年编写的“高速试验列车动车强度及动力学规范”和“高速试 验列车客车强度及动力学规范”，在这几年使用过程中进行了补充和完善，制定 了( 2 0 0 k m h 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定( 简称暂规) 。 暂规中构架疲劳载荷、动应力确定和疲劳评价方法大致与u i c6 1 5 4 相同。而 c r h 2 动车组的制造技术条件和设计标准均参照日本工业标准j i se4 2 0 7 ，这就 需要通过仿真计算和试验研究评价该标准对于在我国线路上运行的动车组拖车 转向架构架强度设计的适用性。 1 3 论文主要研究内容 论文参照日本工业标准j i se4 2 0 7 铁路车辆一转向架转向架构架设计通 则，应用大型有限元分析软件a n s y s ，计算并分析c r h 2 动车组拖车转向架构 架的静强度和疲劳强度；对动车组在我国线路上试运行时拖车构架各关键部位的 动应力进行测试，并对实测数据进行处理，得到构架各关键部位的等效应力，将 实测等效应力与仿真计算结果进行比较和分析，在此基础上评价日本工业标准 j i se4 2 0 7 对于在我国线路上运行的c r h 2 动车组的拖车转向架构架强度设计的 适用性。主要有以下几方面内容： 3 e 塞窑煎厶堂主些亟堂位论塞 ! 络i 金 ( 1 ) 在熟悉c r h 2 动车组拖车构架结构二维图纸的基础上，应用s o l i d w o r k s 三维建模软件，建立构架的几何实体模型。应用h y p e r m e s h 软件对构架几何实 体模型进行网格划分，建立构架的有限元模型。 ( 2 ) 参照j i s e 4 2 0 7 标准，确定构架上载荷的大小和施加位置，利用a n s y s 软件对构架进行有限元仿真计算，分析构架的静强度，并根掘构架上各关键点的 平均应力、等效应力和区域类型绘制出疲劳极限图，对构架关键部位的疲劳强度 进行评价。 ( 3 ) 实测c r h 2 动车组在我国线路上试运行时拖车构架各关键部位的动应 力，对测试数据进行处理，编制应力谱，计算各测点对应于动车组安全运行9 0 0 万公里的等效应力，并与各测点部位所对应的疲劳许用应力进行比较，分析各测 点的疲劳强度能否满足动车组在我国线路上安全运行9 0 0 万公里的要求。 ( 4 ) 通过比较实测等效应力与有限元仿真计算所得构架上相应部位的动应 力，评价日本工业标准j i se 4 2 0 7 对于在我国线路上运行的c r h 2 动车组的拖车 转向架构架强度设计的适用性，为制定符合我国国情的铁路车辆转向架构架设计 规范打下基础。 4 些丞窑通厶堂主些亟! ：堂位途塞2 瘗筮坦廛塑! 直隧廛援述 2 1 疲劳强度概述 2 疲劳强度和有限元概述 金属、塑料、木材、混凝土、玻璃、橡胶和复合材料等各种结构材料及其加 工而成的结构或设备，在载荷的反复作用下，都会产生疲劳问题。在工程结构和 机械设备中，疲劳破坏的现象极为广泛，它遍及每一个运动的零部件，只要零部 件承受交变载荷，就会导致疲劳破坏。据统计，约有5 0 - - 9 0 的机械结构的破坏 属于疲劳破坏。疲劳问题是航空工业最为关注的问题，飞机结构的疲劳破坏常常 导致机毁人亡，造成严重的后果。疲劳破坏也是铁路机车、车辆、桥梁和线路上 某些零部件破坏的主要形式。 疲劳破坏由于没有明显的宏观塑性变形，破坏突然发生，往往造成灾难性事 故，引起巨大的经济损失。因此研究疲劳问题对于发展国民经济和科学技术都有 重大意义。 2 1 1 疲劳破坏的特征 材料在低于拉伸强度极限的交变应力( 或应变) 的反复作用下，发生裂纹萌 生和扩展并导致突然断裂的失效方式，称为疲劳破坏。所谓交变应力，是指随时 间而变化的应力。更一般的，可以称之为交变载荷，载荷可以是力、应力、应变 和位移等。疲劳破坏和静力破坏有着本质的区别，主要有以下特征1 4 】： ( 1 ) 在交变载荷作用下，构件中的交变应力在远低于材料拉伸强度极限的 条件下有可能发生的破坏。 ( 2 ) 不论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无显著塑 性变形的断裂。 ( 3 ) 疲劳破坏往往从局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。这 些局部区域可能因传递外载荷、几何形状突变、温度变化、存在残余应力和材料 本身有缺陷等而产生局部的高应力或高应变。因此局部改变细节设计或工艺措 施，可以明显改善结构抗疲劳破坏的性能，增加结构的疲劳寿命。 ( 4 ) 疲劳破坏是一个累积损伤的过程，要经历一定的时间，有时还很长。 实践表明，疲劳断裂由三个过程组成，即裂纹萌生，裂纹扩展和最终快速断裂。 ( 5 ) 疲劳破坏断口不同于其它失效类型的断口，在宏观和微观上均具有明 显的特征。 疲劳破坏的影响因素主要可归结为三方面：材料的本质化学成分、金相 e 峦至堑厶堂主些亟堂位淦塞2 瘗垃堡廛垄! 盔阻丞攫述 组织、内部缺陷分布等；零件的状念缺口效应、尺寸效应、热处理状况、表 面处理、残余应力等；工作条件载荷特征、环境介质，加载频率等。 2 1 2 平均应力的影响 决定零部件疲劳强度的主要应力参数是等效应力幅，平均应力的影响是第二 位的，但其影响也不容忽视。一般来说，拉伸平均应力使疲劳强度和寿命降低， 压缩平均应力使疲劳强度和寿命增加。 平均应力对疲劳强度的影响一般用疲劳极限线图来表示。在疲劳设计中常常 将平均应力吒折算为等效疲劳极限幅吒。 拉伸平均应力对疲劳强度的影响，许多学者提出了多种极限应力线，其中主 要有【3 】= ( 1 ) g e r b e r ( 戈倍尔) 抛物线，如图2 1 中曲线l ，等效疲劳极限幅计算方程： 吒氇( 一目2 ， l吒 ( 2 ) g o o d m a n ( 古德曼) 直线，如图 2 1 中直线2 ，等效疲劳极限幅计算方程 ( 通常称为g o o d m a n 方程) ： 铲以。( 一刳 ( 3 ) s o d e r b e 唱( 索德倍尔格) 直线，如 图2 - 1 中直线3 ，等效疲劳极限幅计算方 程 ”小爿陋， b 。 图2 - 1 疲劳极限线的方程式 f i g2 - 1e q u a t i o no f f a t i g u el i m i tl i n e 这些极限应力线都反映了等效疲劳极限幅值随拉伸平均应力的增加而减小。 试验研究结果表明，光滑试样的试验数据符合g e r b e r 抛物线；缺口试样的试验 结果符合g o o d m a n 直线；而对于存在微动磨损的接头，应使用s o d e r b e r g 直线。 由于疲劳破坏多发生在缺口处，而且g o o d m a n 直线使用方便，因此在抗疲劳设 计中多使用g o o d m a n 直线和g o o d m a n 方程。 6 e 夏至煎厶堂皇些亟堂位盈塞2 缱丛翌鹰垄! 直阻霾攫述 2 1 3 焊接结构的疲劳强度 焊接作为现代理想的连接手段，与其它连接方法相比，具有经济灵活的突出 优点，因此，各个工业领域都大量地采用焊接结构。但是，许多运动结构或承受 动载荷的结构，在交变载荷作用下，即使在低应力条件下也容易产生疲劳断裂。 据统计，由于疲劳而失效的金属结构中，9 0 为焊接结构。 一般情况下，焊接接头承受静载的能力并不比母材低，而承受动载荷的能力 却远低于母材。这是因为，焊缝处存在应力集中、焊接缺陷、残余拉伸应力以及 焊趾处显微组织粗化等缺陷，导致疲劳强度下降，成为焊接结构的疲劳薄弱环节。 焊接接头疲劳强度主要受以下几种因素影响1 5 l ： 1 应力集中 这是结构疲劳特征主要的因素，由于焊接接头不可避免的存在应力集中点， 所以疲劳破坏很可能出现于接头部位，各种接头的应力集中虽不尽相同，但影响 都是非常明显的，所以应力集中的严重程度将决定构架的疲劳强度。 2 焊接缺陷 在焊接接头不可避免的存在很多缺陷，缺陷会造成严重的应力集中，对焊接 的疲劳强度造成显著影响，影响程度与缺陷的种类、位置和方向有关。面状缺陷 ( 咬边、未焊透等) 引起严重应力集中，比体积缺陷( 气孔、夹渣等) 对疲劳强 度的影响大；表面的缺陷比内部缺陷对疲劳强度的影响大：位于应力集中的( 焊 趾处) 比位于均匀处的应力场同样缺陷对疲劳强度的影响大；用作用力方向垂直 的缺陷比其它方向的缺陷对疲劳强度的影响大。 3 焊接残余应力 焊接残余应力与平均应力相当，并且有时是自相平衡的内力，总体影响不明 显，但当高残余应力点与焊接结构应力集中点重合时，残余应力对疲劳强度的影 响是毫无疑问的，随着加载过程变化残余应力会逐渐被释放，影响也会逐渐减小， 残余应力可以通过退火或喷丸进行消除改变。 2 2 有限元仿真 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 1 6 】：也称为有限单元法，是6 0 年代以来发 展起来的求解复杂工程问题的一种近似数值解法，是计算机时代的产物，可以说 是作为数值模拟技术的最成功的方法。虽然有限元的概念早在4 0 年代就有人提 出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发 展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用。实际上。在所有连续介质问 题中，几乎都可见到有限元法。首先在飞机结构计算中提出用离散的有限单元体 7 j e 立窑垣厶堂皇业亟堂位论童2 缱丝塑廛垂! 直匮瘟攫述 来代替连续体求解的基本思想和方法，但是由于计算机尚未迅速发展，有限元的 使用和发展受到了很大限制。到上个世纪7 0 年代，在这个时期有限元方法也从 变分学罩找到了数学依据。离散数学、广义变分、收敛分析等数学内容也丌始向 有限元法中渗透，使有限元法如虎添翼。不仅在固体力学领域、而且在其他连续 介质领域也发挥着重要作用，解决了越来越多的工程问题有限元法，可以说是对 问题的一种物理近似法，它与差分法不同的是，它不涉及原有的微分方程，而是 从能量原理出发，对结构进行离散化处理。即把连续的弹性体设想为由许多，有 限个单元组成，这些单元形状简单，每个单元上有若干个节点，各个单元仅在节 点处按一定方式相互联系，相互作用。与此同时，把用连续形式描述的边界条件 看作是只需在边界上若干个节点应当遵守的条件。此外，还把结构所受的各种载 荷按一定方法化为等效的节点载荷。实际上，这就是把无限自由度的连续体的力 学计算变成在有限多个节点上某些参数的计算。 2 2 1 有限元法简介 有限元法【7 1 8 堤求解数学物理问题的一种数值计算近似方法。有限元法是以 变分原理为基础，将研究对象离散成有限多个单元体，通过分析得到一组代数方 法，进而求得近似值。 其基本思想1 4 】是将连续的求解区域离散为一组有限个并且按定方式相互 联结在一起的单元的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这 些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单 元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件， 即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。 显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点 力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组 成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移 称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据 分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利 用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系， 假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数，得到一组 以结点位移为未知量的代数方程，对单元建立方程，将单元组合成总体的问题， 构造总体刚度矩阵。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。并应用边 界条件、初值条件和负荷，从而求解结点的位移分量。然后得到其他重要的信息 如主应力，位移等。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元 立交道厶堂主些亟! ：三兰位垒塞 2 蕉筮翌廛垂! 直匿霾拯述 的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将 收敛于精确解。 对于一些理想的简单的弹性体，可以应用结构设计分析理论，得到其精确的 解而对于复杂的弹性结构的应力、位移等分析问题时，要求精确解甚至是不可能 的，在这种情况下，需将连续模型离散为只有有限个自由度的系统，并由此求出 连续系统的近似解的方法就成为工程中一种切实可行的重要途径，有限元法即为 其中的一种方法。有限元方法在不断的发展过程中，不断地应用到各个领域，如 结构工程、结构力学、宇航工程、结构的动念响应、流体力学、传热学、士力学、 岩土力学、温度分布、电磁学等。正是由于计算机技术的飞速发展，才使得有限 元方法的应用如此广泛和普及，使之成为了最常用的分析工具，目前，世界上有 9 0 的机械产品和装备都采用有限元方法进行分析，进而进行设计和优化，有限 元分析已成为替代实物试验的虚拟试验，基于该方法的大量计算分析与典型的验 证性试验相结合可以做到高效率和低成本。正由于有限元方法在科学研究和工程 分析中的作用和地位，关于有限元方法的研究已成为数值计算的主流，目前，专 业的著名的语限元分析软件有十几种，通用的有a n s y s 、n a s t r a n ，m a r c 、 a b a q u s 、i d e a s 等，专用的有l s d y n a 、d e f o r m 等涉及有限元的杂志有 几十种之多。 对于本文所涉及的动车转向架的构架就是一个典型的结构力学问题，因此应 用有限元法来解决构架强度问题既方便又可靠。 2 2 2 a n s y s 在有限元中的应用 a n s y s l 9 堤一个通用的有限元计算机程序，我们能够应用a n s y s 进行各种 静态、动态、热传导、流体流动和电磁学分析。a n s y s 是一种广泛的商业工程 分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反 应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受n # l - 力负载后 的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂， 受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用 数值模拟方法分析。a n s y s 软件在工程土应用相当广泛，在过去2 0 多年里， a n s y s 是最主要的f e a 程序。在机械、电机、土木、电子及航空等领域都能达 到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低成本，缩短设计时 间 随着计算机性能的飞速发展，有限元法越来越多的用在大规模的数值模拟计 算中。从有限元计算的整体程序来分析，一般前、后处理的工作量远远超出有限 9 e 立銮堑厶堂主业亟土主位途塞2 瘗垃埋度垂! 立隧疽攫述 元主处理部分的运算工作量。 对于形状和边界条件复杂的问题来说，人员的主要工作量都花在对象的分割 网格，其次是结果的处理，而主处理所需的时日j 一般只需全工作量的l 到1 0 。 就算是对大规模的工程计算，虽然所需的运行时日j 为好几天，但是都是计算机上 运行，不需要专门人员。由于解析方法的变化，解析对象的复杂化，现使用的有 限元前后处理程序还不能完全的满足用户要求。对的处理系统来讲，网格划分是 否合理不仅直接影响到计算工作量还会影响到有限元分析的精度与求解速度。不 合理的网格划分甚至导致有限元数值计算的发散和失败。 a n s y s 设计的数据访问模块可与大多数c a d 软件集成如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ，以及a u t oc a d ，s o l i d w o r k s 等，建立的摸型输入a n s y s 程序中，避 免了重复建模工作，然后读入到a n s y s 中的模型进行分析。 由于a n s y s 的无缝接口技术，使得前后处理的问题得到了很好的解决，如 本文中的构架实体建模采用了广为应用三维实体软件s o l i d w o r k s 进行建模，方 便有效。在完成构架模型造型后，能直接将模型传送到c a e 软件中进行有限元 划分并进行分析计算，极大地提高了设计水平和效率。 对于网格问题由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果 的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格 生成的质量和效率都有了很大提高，但在有些方面却一直没有得到改进。由于 a n s y s 的无缝接口技术，可考虑单独为某一个有限元分析程序服务的前处理模 块，并与有限元程序集成为一套完整的有限元分析系统。 h y p e r m e s h 【1u j 是一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有 限元模型，并且与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并具有高效的网格划分功 能。对于输入的几何模型如果含有缝隙、不对齐的现象，这就妨碍了网格自动划 分器生成高品质的网格。应用h y p e r m e s h 可以对这些问题进行抑制、修改，从 而提高整体网格划分的质量。h y p e r m e s h 为用户提供了一套完善而又易于使用的 工具程序，用户可以使用各种网格生成工具及网格自动生成来创建二维和三维有 限元模型。经过网格自动划分模块后，不适当的地方还可以根据用户需求对每个 面或每个面的边缘进行网格参数的调节，而且可以调节单元的密度、单元偏执梯 度、网格划分算法。h y p e r m e s h 能够用一阶和二阶四面体单元对一段封闭区域自 动划分出高质量的单元，含提供了多种三维单元生成方式来构建高质量的四面 体、六面体网格。h y p e r m e s h 提供了多种形式的网格质量检查菜单、网格质量修 改工具，使用户可以实时控制单元质量。尤其在焊接部位的网格控制上，更应做 到很好的光滑过度，防止由于尖角等造成应力集中使得计算时结果过大。 l o e 瘟窑堑厶鲎主些亟堂位监塞 3 艘筮结盟墨! i i 腿亘拦型 3 构架结构和有限元模型 c r h 2 动车组拖车为1 、4 、5 和8 号车，装用了如图3 1 所示的拖车转向架。 转向架主要由以下部分构成：焊接构架、一系悬挂及轮对轴箱定位装置、二系悬 挂及牵引装置、转向架制动装置、转向架配管配线装置和排障装置( 仅端部转向 架用) 。 3 1 构架结构 图3 - 1c r h 2 拖车转向架 f i g3 - 1t r a i l e rb o g i eo f c r i - 1 2 c r h 2 动车组拖车转向架构架采用焊接结构，构架的主体框架在水平面内呈 h 形，由两侧梁、横梁、纵向连接梁、空气弹簧支承梁、轮盘制动吊座和轴盘制 动吊座等构成。拖车构架的结构如图3 - 2 所示。其中1 为侧梁，2 为横梁，3 为 纵向连接梁，4 为空气弹簧支承梁，5 为轮盘制动吊座，6 为定位臂座，7 为增压 缸安装座，8 为垂向止挡，9 为轴盘制动吊座，l o 为拉杆座 构架的主要承载构件采用了符合日本j i sg3 1 1 4 标准的材质为s m a 4 9 0 b w 焊接结构用耐候钢材料。构架所用材料的抗拉强度、屈服点及疲劳许用应力如表 3 1 所示。 e 塞銮埋厶：王芏业亟：兰位盈塞3 控鏊结翅趔盘腿正拦型 图3 - 2 拖车构架结构 f i g3 - 2s t r u c t u r eo f t r a i l e rf r a l n e 表3 - 1 材料的抗拉强度、屈服极限及疲劳许用应力( m p a ) 材料 s m a 4 9 0 b w 抗拉强度 4 9 0 屈服极限 3 5 5 屈服许用应力 3 0 5 母材 1 5 5 疲劳许用应力焊缝修磨 “0 焊缝未修磨 7 0 3 1 1 侧梁组成 c r h 2 动车组拖车转向架构架以e 2 1 0 0 0 为原型车，因轴重载荷的差异，构 架侧梁断面尺寸较原型车有所增加，侧梁的截面形状也由原压型的“n ”形或 】”形改为箱形断面，图3 3 为原型车与c r h 2 动车组拖车构架侧梁断面的结 构变化。c r h 2 侧梁上下盖板及腹板厚度均为8 m m ，内腔设加强筋板，所有焊缝 焊接坡口均采用机械加工形成。 从图3 3 中可看出，原型车侧梁有两条纵向焊缝，而c r h 2 动车组拖车构架 侧梁断面有四条，增加了焊接量，但它不需使用大型压型设备制造，结构设计有 较强的灵活性。 e 立窑适厶堂主些亟堂垃监皇2 翅袈结地塑! 盘腿疽毯里 皿 ( a ) e 2( b ) e 2 1 0 0 0( c ) c r f l 2 ( a ) e 2( b ) e 2 - 1 0 0 0( c ) c r h 2 图3 - 3构架侧粱断面形状比较 f i g3 - 3c o m p a r i s o no f s e c t i o n a lf o r mo i ls i d eb e a m 侧梁组成如图3 - 4 ( a ) 所示。侧梁内设置了厚度为6 m m 的加强筋板，用于 提高侧梁的承载刚度，侧梁中央为两个加工形成的直径2 0 6 的圆孔，以便横梁 通过。侧梁两端采用简体结构，支承在轴箱弹簧上。厚度1 2 m m 的筒壁与侧梁梁 体厚度8 m m 的腹板采用厚度渐变的对接焊缝；上盖板厚度为2 2 r a m ，与侧梁上 盖板对接，所有对接焊缝利用侧梁内筋板作为垫板。轴箱弹簧简体外焊有轴箱减 振器座，如图3 - 4 ( b ) 所示，轴箱减振器座除为了安装减振器外，还有两个目的： 一是在内侧立板上开设了吊装孔，在转向架进行起吊时用于安装吊钩：二是用于 安装轮对提吊，能够在转向架整体起吊时，通过轮对提吊使轮对装置随构架整体 吊装。 为消除零件内部缺陷隐患，构架上取消了铸造件，轴箱转臂定位臂座采用厚 钢板焊接结构设计，如图3 4 ( c ) 所示 侧粱组成 ( a ) c o m p o n e n to f s i d eb e a m 叩， j e 应童丝厶：翌量些亟土堂位迨皇 3 也塞结蜘垂! 直匝五拦! 型 ( b ) 轴箱减振器座 ( b ) v i b r a t i o nd a m p e rh o l d e r ( c ) 轴箱定位臂座 ( c ) a c c e s sa r mh o l d e r 图3 - 4 侧梁，轴箱减振器库和轴箱定位臂座 f i g3 - 4s i d eb e a m ，v i b r a t i o nd a m p e rh o l d e ra n da c c e s sa n nh o l d e r 3 1 2 横梁组成 构架横梁采用无缝钢管型材，管材规格为2 0 3 1 l 。横梁材质同样为 s m a 4 9 0 b w 耐候钢管。两横梁作为两空气弹簧的附加空气室，分别与两侧的空 气弹簧支承梁连通，因此在横梁的端部开设了通孔。横梁的结构如图3 5 所示。 朝向车体中心方向的横梁中央内侧设有垂向限位止挡，其作用是一旦空气弹 簧过充风，构架侧的牵引拉杆在随车体上升约7 0 m m 时最终被该止挡限制，因此 也被称为防过充止挡。 图3 - 5 横粱结构 f i g3 - 5c o m p o n e n to f c r o s sb e a m 4 e 立垒堑厶翌主业亟堂位论塞2 丝苤结控盈! 盘醒z i 搓型 为避免或降低应力集中，箨吊座与横梁连接的上下盖板均设计为圆弧过渡形 状；同时，为提高构架疲劳强度，横梁上各吊座与横梁之闯焊接，均要求对关键 焊缝进行严格打磨处理。 3 1 3 纵向连接梁 在两横梁之间为两个纵向连接梁，其目的一是连接两横梁，以提高横梁的刚 度，二是为设置横向减振器安装座和悬挂制动增压缸。除一侧纵向连接梁设有差 压阀安装座而略有差异外，两侧的纵向连接梁基本结构是完全相同的。 3 1 4 空气弹簧支承梁 空气弹簧支承梁沿纵向跨于两端横梁之间，并与构架侧梁形成封闭的腔体， 作为空气弹簧的支承构件和附加空气室。梁体内有一钢管型材制成的空气弹簧座 导筒，用于空气弹簧与气室的连通和定位，导筒与相应的横梁相连通，保证空气 弹簧附加气室的容量达到约7 0 升，因此，空气弹簧支承梁的焊接有较高的密封 性要求。 空气弹簧支承梁上盖板上面为空气弹簧支承座板，加工后安放空气弹簧。为 了安装抗蛇行减振器，在支承梁下盖板上设有减振器的安装座，空气弹簧支承梁 结构如图3 - 6 所示。 图3 - 6 空气弹簧支承梁 f i g3 - 6 a i rs p r i n gh o l d e r g 立蛮丝厶堂皇些亟翌位途塞控型结丝盈! 立醒五搓型 3 2 构架有限元模型 3 2 1 几何模型 根据构架各零部件的二维工程图和装配图，使用三维建模软件s o l i d w o r k s 建立构架各零部件的几何实体模型，并按照装配图所确定的各零部件相互位置和 关系将各零部件进行装配，得到构架整体几何模型。由于设计图纸未对焊接部位 进行处理，所以在对构架进行实体建模时应对其结构的焊接部分作过渡处理，使 其能够模拟出真实的焊接构架，以便做到j 下确有效的分析，与实际运营情况下的 应力比较时能得到可靠的结论。 3 2 2 有限元模型 使用h y p e r m e s h 软件对几何模型进行有限元网格划分。取整个构架进行分 析，主要采用十节点四面体单元( s o l i d 9 2 ) 进行网格划分。参照构架的几何尺寸， 网格尺寸取2 5 m m 。 建立体单元模型，先要对几何模 型所有内、