（光学工程专业论文）200kmh客运机车转向架构架结构载荷系标定方案研究.pdf

中文摘要 摘要：本论文借鉴飞机结构载荷标定技术，参考“u i c 6 1 5 - 4 规范中动力转 向架构架强度试验方法，结合2 0 0 k m h 客运电力机车转向架构架，对构架载荷系 标定方法进行了研究。主要包括潋下a 方面工作： 1 1 建立转向架构架三维实体模型，进一步建立有限元分析模型； 2 ) 将构架载荷分解为浮沉载荷系、侧滚载荷系、横向载荷系、扭转载荷系和 电机载荷系五个载荷系，参考矗u i c 6 1 5 4 打规范确定模拟载荷量值； 3 依据各载荷系的对称特性，选取适宣的组桥测量方式，以获取高信噪毙的 标定方案； 4 ) 分析确定了各载荷系的标定方案。 上述工作为实际标定转向架构架载荷进行了前期准备，是建立转向架构架载 荷谱过程中的一项关键性的工作。 关键词：转向架；构架；载荷；组桥；标定 分类号：u 2 7 0 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：b yu s i n gl o a dd e m a r c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hw a sd r a w n o na i r c r a i t s a n do t h e rl a r g e - s c a l es t r u c t u r e sa n dt h ee x p e r i m e n tm e t h o da b o u tm o t o rc a rb o g i ef r a m e s t r e n g t ha n a l y s i sw h i c hw a sl i s t e di nc r i t e r i o n u i c 615 - 4 f o rr e f e r e n e ea n ds t u d i n g p a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o ne l e c t r i cl o c o m o t i v eb o g i ef l a m eu pt o2 0 0 k m h ，t h em e t h o df o r f r a m ed y n a m i cl o a dd e m a r c a t i o nw a sr e s e a r c h e di n t h i st h e s i s 。t h ep a p e ri n v o l v e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s 1 ) t h eb o g i ef r a m em o d e lb u i l d i n ga n dt h es i m p l i f i e df i n i t ee l e m e n tm o d e l b u i l d i n g 2 ) b yu s i n gc r i t e r i o n “u i c 6 1 5 4 ，f o rr e f e r e n c e ，d e t e r m i n a t el o a d i n gm o d e , l o a d i n gp o i n t sa n dl o a d i n ga p p o r t i o n m e n to ft h eb o g i ef r a m eu n d e rf l o a t i n g - s i n k i n g d y n a m i cl o a d s ，r o l ld y n a m i cl o a d s ，1 a t e r a ld y n a m i cl o a d s ，t o r t i o n a ld y n a m i cl o a d sa n d m o t o rd y n a m i cl o a d s 3 ) b a s e do nt h es y m m e t r ya n da n t i s y m m e t r yo fl o a d s ，s e l e c t 硪d g i n gf o r mt h a t w a ss u i t a b l ef o rf l a m el o a dd e m a r c a t i o n 4 ) a n a l y z i n ga n dc o n f i r m i n gs c h e m eo ff l o a t i n g - s i n k i n gd y n a m i cl o a dd e m a r c a t i o n , r o l ld y n a m i cl o a dd e m a r c a t i o n , l a t e r a ld y n a m i cl o a dd e m a r c a t i o n , t o r t i o n a ld y n a m i c l o a dd e m a r c a t i o na n dm o t o r d y n a m i cl o a d sd e m a r c a t i o n d i s c u s s i o no nm e t h o d so fl o c o m o t i v eb o g i ef r a m el o a ds p e c t r u md e m a r c a t i o ni s t h en e c e s s a r yp r e p a r a t i o nf o rb u i l d i n gl o a dd a t a b a s eo fh i g h - s p e e de m u s k 嚣y w o r d s ：b o g i e ；f r a m e ；l o a d ；b r i d g i n gf o r m ；d e m a r c a t i o n c i 。a s s n o ：i1 2 7 0 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文俸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：莓守 导师签名：三、l 哥办 签字目期：弘蝣年乡月j 9 圈签字岛期：埘年f 月，p 同 致谢 本论文的工作是在我的导师孙守光教授悉心指导下完成的，从论文的选题、 研究方法的选取、数据的评定、论文的编版到最后出稿整个过程，都倾注了导师 大量的心血。孙老师精深广博的学识、严谨的治学态度、科学的互作方法和高尚 的师德，给了我极大的帮助和影响，我将铭记在心并使我受益终生。在此衷心感 谢两年来孙老师对我的关心和指导。 在论文的完成过程中，还褥到了缪龙秀教授、李强教授、谢基龙教授、刘志 明教授和任尊松副教授地悉心指导，他们在学习上和生活上都给予了我很大的关 心和帮助，在此向各位老师表示衷心的谢意。 金新蛐老师、王文静老师和邹骅老师对于我的科研工作和论文都提出了许多 宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 论文的最初阶段，本人在大同电力机车有限责任公司北京研发部转向架技术 组实习，在学习机车转向架构架的设计过程中，封全保副总、张志和主任、彭永 甓高工和康庄技术员给予了我很多的指导和帮助，在此表达谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，机辆所王斌杰博士、杨广雪蒋士、黄凡、王 飞、田远、钱科烽、费家琳、袁金荣、吴仁恩等所有同学对我的论文工作都给予 了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的鼓励和支持使我能够在学校专心完成我的学 k 。 1 1 选题背景 1 绪论 中国铁路“十一五 规划确定未来五年中国铁路建设的主要目标是：建 设新线1 7 万公里，其中客运专线7 0 0 0 公里；建设既有线复线8 0 0 0 公里，既有线 电气化改造1 5 万公里。2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 万公里以上，复线、电 优率均达到4 5 以上，快速客运瘸总飙模达到2 万公里以上，煤炭通道总能力达 到1 8 亿吨，西部路网总规模达到3 5 万公里，形成覆盖全国的集装箱运输系统， 基本实现技术装备现代化，运输安全持续稳定，经济效益不断提升。铁道部明确 提出铁路客运通过既有线改造和建设客运专线，达到2 0 0 k m h 及以上速度等级的 运营基标。当前，按照铁道邦跨越式发展新思路，要求全亟推进机车车辆装备的 现代化，生产符合“先进、成熟、经济、适用、可靠 和“标准化、系列化、模 块化、信息化 的十字方针和四化目标的先进的机车车辆产晶。中国铁路牵引技 术歪处于舞级换代的大好时机，技术合作己成为铁路薪产品开发的主流方式，高 速动车组项目和大功率货运机车项目的国际合作为中国铁路引入了具有世爨先进 水平的新车型。与此同时，为充分、高效地发挥铁路的运能，铁路运输部门需要 能满足2 0 0 k m h 速度等级运输要求( 牵引1 8 2 0 节客车) 的先遴、成熟的客运电力机 车与之配套。 1 2 选题意义1 】 在提速、高速机车车辆转向架的研制过程中，豳际上现行的规范和标准【2 】嘲网 y l 6 1 仍采用以安全系数保障强度的定值方法，存在着静强度富裕，疲劳强度不足的 问题。转向架结构疲劳试验采用的加载方法也相对简单，难以充分体现转向架结 构的实际受力状况。随耩近年来客运速度的不断提高，线路激扰频率范围加宽， 而转向架构架自重不断减轻，其固有频率降低，这样就导致构架的低阶弹性振型 有可能处于线路的激扰范围之内，从而使构架的某些部位产生较大的动态变形。 因此，转向架焊接构架的疲劳可靠性问题己成为一个迫切需要解决的问题，这其 中建立结构载荷数据库是最基础最关键的一项工作。 近年来，已经在实际运用条件下对我国提速客车转向架和北京地铁车辆转向 架等进行了多次动应力测试，结果表明：1 ) 部分转向架构架的动应力超出了 g o o d m a n 疲劳极限线圈界定的安全送域；2 线路条件不同时，转向架构架的动 应力差别显蔫。这些情况说明，现行的疲劳设计规范与转向架实际应用工况有较 大的差异。在随车实测我国2 0 0 k m h 转向架结构载荷和动应力的基础上确定相应 的疲劳设计载荷，对予正确进行转向架结构的疲劳可靠性设计和疲劳可靠性试验 评定具有十分重要的意义。 本论文通过对机车构架结构载荷系标定方案的研究，为建立符合我国运用条 件的高速动车组转向架构架载荷数据库做技术准备，这对于建立符合我国实际运 用条件的高速动车组转向架构架疲劳可靠性设计规范和试验评价标准十分关键。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文借鉴飞机结构载赘标定技术1 7 】f 8 l 嘲，参考“u i c 6 1 5 - 4 规范”中动力转 向架构架强度试验方法，在北京交通大学结构强度检测实验室从事多年轨道车辆 结构动应力实测和疲劳可靠性评估等研究工作的基础上，对2 0 0 k m h 客运电力机 车转向架构架结构载荷系标定方法进行研究，具体内容如下： l 根据2 0 0 k m h 客运电力机车转向架构架各零部件工程图和装配图，建立构 架三维实体模型，并进步建立构架的有限元分析模型； 2 将构架载荷分解为浮沉载荷系、侧滚载荷系、横向载荷系、扭转载荷系和 电视载荷系五个载荷系，参考“u i c 6 1 5 - 4 规范确定模拟载衙量僮；并分别确定 各种载荷系单独作用时的应力分奄； 3 依据各载荷系的对称特性，选取适宜的组桥测量方式，以获取高信噪比的 标定方案； 4 按组桥方式分别对浮沉载荷系、侧滚载荷系、横向载旖系、扭转载荷系和 电机载荷系单独作用时的应力分布进行叠加，从而确定各种载荷在某种组桥方式 下的信噪比和分布梯度状况，最终确定信噪比高且梯度较小的布片方案。 2 2 基本理论与有限元方法概述 2 。1 力学基本理论【1 0 】【1 1 】 在工程实际中，承受弯曲的杆件很多。这类杆件的受力与变形特点是：杆件 上的外力与杆件的轴线垂直，直杆的轴线由原来的蛊线变形后成为盐线，这种变 形称为弯曲变形。以弯曲变形为主要变形的杆件通常称为梁。 在纯弯曲的情形下，梁横截短上只有正应力。以下篱介纯弯越时梁的燕应力。 在变形前的杆件侧面上作用弯矩m 使抒件发生纯弯盐变形。根据观察到的变 形现象，经过推理和判断，做出如下假设：梁的横截面在变形后仍保持为平面， 并垂蛊于变形后梁的轴线，只是绕截面内的某一轴线旋转了一个焦度，称为弯益 变形的平甄假设。 设想梁是由无数层纵向纤维组成，弯趣变形后，靠近凹入的一侧纵向纤维缩 短；靠近凸出的一侧纵向纤维伸长。由于变形的连续性，由凹入侧纤维的缩短， 连续地改变为凸出侧的伸长，中间必定有一层纤维的长度不变，这一层称为中性 层。中性层与横截面的交线，称为该横截面的中性轴。梁弯趣时，横截面就是绕 中性轴转动的。对于平匿弯曲阀题，梁上的载蘅都作用于纵彝对称面肉，梁轴线 将变为这一平面内的曲线。梁的变形也对称于这一纵蠢对称面，中性轴与这一纵 向对称西垂直。如图2 一l 所示【垃l 。 裂2 - 1 粱的示意图 f i 9 2 1s k e t c ho f t h eb e a m 实验现象表明，纵向纤维伸长区域梁的宽度缩小，纵向纤维缩短区域梁的宽 度增大，与杆在轴向拉伸或压缩时横向变形的规律样，故假设各纵向纤维只受 到单向的拉伸或压缩，即设各纵向纤维之间不存在相互恻挤压，当应力不超过材 料的比例极限时，作用于其上的难应力与线应变的关系应服从胡克定律，即 各= e 伫一1 ) 可知，横截面上任意点处的正应力与它到中性层的距离成j 下比，沿截面的高 度按直线规律交化。中性轴上的正应力等于零。 以中性轴为界，梁凸出的一侧受拉，凹入的一侧受压。可根据弯矩的正负来 判断：弯矩为正时，中性轴以下部分受拉，以上部分受压；弯矩为负时，中性层 以下部分受压，以上部分受拉。 2 2 组桥原理【1 3 】 1 4 】【1 5 】【1 6 】 应变测试是研究构件应力状态的重要手段，通过应变测试可以了解构件的变 形，进丽得到作用于构件上的载荷，因此在桃车构架载荷系标定过程中应交测量 是个重要组成部分。以下介绍应变测量的电桥电路。 应变片是粘贴在受力物体上很薄的导体，它将被测对象的变形转换为电阻值 的变化。用应变片测量金属材料的应变时，它的电阻变化率一般只有千分之几， 电压往往是微伏级的，因此应变测试通常采用惠斯登电挢电路。根搌应变测试类 型的不同，桥路分为1 4 桥ih 、半桥ii i 和全桥ii ii i i 等7 种组桥方式。 1 ) 1 4 桥i 图2 2 为用1 4 桥l 进行拉伸或弯益应变测量的示意露。它的电路接线图如图 2 3 所示。 图2 - 21 4 桥i 测鼙轴向或弯曲应变 f i 醇- 2q u a r t e r - b r i d g et y p eim e a s u r i n ga x i a lo rb e n d i n gs t r a i n i 4 桥i 具有以下特点： f | ) 只有一个应变片粘贴予拉 枣或弯赫应变的方向上。 f 2 ) 需要一个与应变片等值的电阻以充当电桥的挢臂。 ( 3 ) 温度变化将影响测试的精度。 ( 4 ) 需采用三线制以抵消导线电阻。 ( 5 ) 桥臂系数为l 。 4 f l i + 固 图2 。31 4 桥i 电路接线图 f i 9 2 - 3q u a r t e r - b r i d g et y p eic i r c u i tw i r i n gd i a g r a m 电桥的测量电压与应变间的转换公式为 s 抛雄) 2 丽- 4 i i , ( 1 + 套 ( 2 2 ) 式中： 足和垦半桥补充电阻； 尼为1 4 桥补充电阻； 霆。为应变片，测量拉应力( + ) ； 足导线电阻； 尺。应变片的标称电阻值； 一= 为电桥测量电压； 为激励电压； g f 为灵敏度系数。 2 ) 1 4 电桥i i 1 缮电桥i i 主要用于测量轴向拉压或弯曲应变，如图2 - 4 所示。图2 5 为其电 路续线圈。 图2 _ 4l 4 电桥i i 测最轴向拉压或弯曲成变 f i 9 2 4q u a r t e r - b r i d g et y p ei m e a s u r i n ga x i a lo rb e n d i n gs t r a i n 争 簦二下u 1 4 电桥l l 具有以下特点； ( 1 ) 只有一个应变片参与测量，而另一个应变片只起到温度补偿作用。测量片 被粘贴于拉伸或弯曲应变的方向上，补偿片被贴予能同被测对象温度保持一致且 与被测对象相同的介质主。 ( 2 ) 这种组桥方式易与半桥l 方式相混淆。它们的主要差别在予应变片最是否 被粘于被测对象上，进行应变测量。 ( 3 ) 可以进行温度补偿。 婵桥臂系数为1 。 i + | ：j r 3 圈2 - 5i 4 电桥i i 电路接线图 甄醇- 5q u a r t e r - b r i d g et y p ei ic i r c u i tw i r i n gd i a g r a m 电桥的测量电压与应变问的转换公式为 咖一赢琊+ 套 0 - 3 ) 式中各参数定义与上一节同。 3 ) 半桥i 半桥 主要用于测量轴向拉匿或弯曲应交，如图2 - 6 所示。图2 7 为其电路接 线图。 图2 - 6 半桥i 测量轴向拉压或弯曲应变 f i 9 2 6h a l f - b r i d g et y p eim e a s u r i n ga x i a lo rb e n d i n gs w a i n 半桥i 具有以下特点： 6 口 ( 1 ) 两个应变片羼时测量应变，一个贴子轴向方向，另一个贴于垂懿方囱。 ( 2 ) 既能测量拉伸应变又能测量弯曲应变。 ( 3 ) 具有温度补偿功能。 ( 4 ) 桥臂系数为( 1 十v ) v 为泊松沈) 。 礼 + | ：) 翰3 ( - v c 图2 7 半桥i 电路接线豳 f i 薛- 7h a l f - b r i d g et y p eic i r c u i tw i r i n gd i a g r a m 电桥的测量电压与应变间的转换公式为 s 加雄) = 丽两- 丽4 v ,球+ 乏) 式中： 足为测量压应变( - ve ) 的应变片； 尺。为测量压应变( + e ) 的应变片； v 为溶松比。 其它参数与上一节网。 4 ) 半桥i i 半桥i l 仅用于测量弯曲应交，如图2 8 所示。图2 - 9 为其电路接线图。 图2 = 8 半桥i i 测量弯曲赢变 & 9 2 8h a l f - b r i d g et y p el im e a s u r i n gb e n d i n gs t r a i n ( 2 书 半桥i i 具有以下特点： ( 1 ) 使焉两个应变片同时进行应交测量，将它们沿弯益应变的方向分别粘贴于 7 被测对象鲍上面和下匿。 ( 2 ) 只对弯曲应变敏感，不能用于测量轴向拉压应变。 ( 3 ) 具有温度补偿功能。 ( 4 ) 桥臂系数2 。 r 4 f + c i ( - c i 图2 - 9 半桥i i 电路接线图 毯薛- 9h a l f - b r i d g et y p ei ic i r c u i tw i r i n gd i a g r a m 电桥的测量电压与应变间的转换公式为 姗僻詈螂+ 砻 ( 2 5 ) 式中各参数与上一节霜。 5 ) 全桥i 全桥i 仅用于测量弯曲应变，如图2 1 0 所示。图2 1 l 为其电路接线图。 图2 1 0 金桥 测量弯曲应变 f i 薛一10f u l l - b r i d g et y p eim e a s u r i n gb e n d i n gs t r a i n 全拼i 具有以下特点： ( 1 ) 四个癍变片同时进行弯迭应变测量，分别沿着弯越应交的方趣对称各贴予 被测对象的上下两面。 ( 2 ) 对弯曲应变具有很强的灵敏性，对轴向拉压应变具有抵消作用。 ( 3 ) 能够对温度和导线电阻进行补偿。 ( 4 ) 挢臂系数为4 。 图2 1 l 全桥i 电路接线图 f i 9 2 - 11f u l l - b r i d g et y p eic i r c u i tw i r i n gd i a g r a m 电桥的测量电压与应变间的转换公式为 s t r a i n ( 如= - g v f r ( 2 6 ) 式中各参数与上一节网。 6 ) 全桥l i 全桥i i 仅用于测量弯曲应变，如图2 1 2 所示。图2 1 3 为其电路接线图。 圈2 1 2 全耩l l 测量弯基应变 f i 9 2 1 2f u l l - b r i d g et y p ei im e a s u r i n gb e n d i n gs t r a i n 全桥l l 具有以下特点： ( 1 ) 四个应变片同时进行测量，其中两个沿弯曲应变的方向贴于被测对象的上 下两面，另两个沿与弯曲应变相垂直的方向贴于被测对象的上面和下面。 ( 2 ) 对轴| 每拉压应交具有抵消作焉。 ( 3 ) 对温度和导线电阻具有补偿功能。 ( 4 ) 桥臂系数为( 2 + 2 1 ，) ( v 为泊松比) 。 9 图2 1 3 全耩l l 电路接线图 f i 9 2 - 1 3f u l l - b r i d g et y p ei ic i r c u i tw i r i n gd i a g r a m 电桥的测量电压与瘟变闽的转换公式为 s 抛加( 笤) = 丽- 2 v , ( 2 7 ) 式中各参数与上一节同。 7 ) 全桥l 羹 全桥i i i 仪用于测量轴向挝压应变，如图2 1 4 所示。图2 1 5 为其电路接线图。 图2 ，1 4 全桥i i i 灏l j 量轴向拉压应变 f i 簖1 4f u l l - b r i d g et y p e l i i m e a s u r i n ga x i a ls t r a i n 全桥i 具有以下特点： ( 1 ) 四个应交片同时进行应变测量，其中两个沿弯曲应变的方向贴子被测对象 的上下两面，另两个沿与弯曲应变相垂直的方向贴于被测对象的上蘧和下蟊。 ( 2 ) 对温度和导线电阻具有补偿作用。 ( 3 ) 对弯曲应变具有抵消作用。 ( 4 ) 桥臂系数( 2 + 2 v ) ( v 为泊松比) 。 l o 图2 1 5 全桥电路接线图 f i 9 2 15f u l l - b r i d g et y p e l l l c i r c u i tw i r i n gd i a g r a m 电桥的测量电压与应变间的转换公式为 s 抛伽( s ) = 面瓜而- 2 v 丽r ( 2 - 8 ) 式中各参数与上一节同。 以上就是进行应变测量的七种基本组桥方式，本论文采用的电桥方式主要在 这七种组桥方式中进行选择来实现应变的测量。 2 3 有限元理论的概述 2 3 1 有限元法的简介”羽 有限单元法的基础理论和方法已经比较成熟，已成为当今工程技术领域中应 用最为广泛，成效最为显著的数值分析方法。其基本思想是将连续的求解区域离 散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按 不同的联结方式进行组合，并且单元本身又可以有不同形状，因此可以对计算区 域作任意形状的划分，能处理复杂边界，具有很强的适应能力。有限单元法作为 数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地 表示全求解域上待求的未知函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数 在各个节点的数值及其插值函数来表达。这样一来，在一个问题的有限元分析中， 未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量( 即自由度) ，从而使一 个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量， 就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似解，从而得到整个求解域上 的近似解。显然，随着单元数目的增加，即单元尺度的缩小，或随单元自由度的 增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要 求的，近似解将收敛于精确解。 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、结构的动态响应、流体力学、传热学、岩土力学、温度分命、 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，进瑟进行设计和优化，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，专业的著名的有限元分析 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。 2 3 2 a n s y s 在有限元中的应用嘲 a n s y s 是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鳓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到外力负载后鲍状 态，进而判断是否符合设计要求。a n s y s 软件在机械、土木工程、生物医学、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，缩短设计时闻。 由于a n s y s 的无缝接口技术，使褥翦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三维实体软件c a t i a ，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 软件中进行分析计算，极大地提高了设计水平和效率。 对予网格闯题出于结构离散后的霹格质量直接影噙裂求解时闻及求解结果的 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柝系统。 h y p e r m e s h 2 0 】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，用户可以使用各种溺格生成工其及阙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屠，不适当的地方还可以擞据用户需求对每个匿或每 个面的边缘进行网格参数的调节，同时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，还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 1 2 户可以实时控制单元质量。尤其在焊接部位的隧格控毒l 上，更应傲到很好的光滑 过渡，防止由于尖角等造成应力集中使得计算时结果过大。 3 构架结构与有限元分析模型 根据转向架构架各零部件工程图和装配图，用三维建模软件c a t i a 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。 3 1 构架结构 时速2 0 0 k m h 客运电力机车转向架构架的设计，是大同电力机车有限责任公 司技术中心人员在消化吸收h x d 2 机车转向架构架技术的基础上进行的。由于时 速2 0 0 k m h 电力机车轴式是b 0 b o ，因此构架采用传统的“日”字形构架，由两根 左右对称的侧梁、一根端梁、一根横梁和一根牵引端梁组成。侧梁为板材焊接的 鱼腹型箱形结构，横梁和端梁均为板材焊接箱梁，梁内部适当位置布有筋板，所 用材料均为s 5 0 0 m c 板材。构架结构如图3 1 所示： 3 1 1 侧梁 图3 - 1 转向架构架结构 f i 9 3 - 1s t r u c t u r eo fb o g i e - f r a m e 构架侧梁为“u 形立板和上下盖板焊接而成的鱼腹型箱形结构，上、下盖板 厚度均为1 6 m m ，立板厚度为1 2 r a m ，盖板与立板连接为角焊缝；在侧梁内部布置 了数量不等、厚度为1 2 r a m 的筋板，尤其在侧梁的下盖板上布置纵向加强筋，以 增大该区域截面的惯性矩，降低结构应力，在截面结构外形几何参数和板厚不变 的条件下，布置纵向加强筋理论上可提高结构的抗弯截面模量，在材料的线弹性 1 4 范围内，截面应力也相应地降低了。纵向加强筋与盖板的连接焊缝为角焊缝。侧 梁中部主要承担截面尺寸：3 0 0 x 4 2 5 m m ( 宽度x 高度) 。 构架侧梁装有一、二系弹簧座、轴箱拉杆座、踏面清扫器安装座、抗蛇形减 振器座、一系垂向减振器座、制动吊座以及摇枕止挡座等各种安装座。侧梁组成 如图3 2 所示： 3 1 2 牵引端梁 图3 - 2 侧梁组成 f i 9 3 - 2c o m p o n e n to fs i d e - b e a m 牵引端梁为箱形梁结构，其上装有轮盘制动座、电机悬挂座和牵引座。为安 装牵引安装连接座板，梁中部向下突出，上、下盖板厚度均为1 6 m m ，立板厚1 2 m m ， 盖板与立板连接为角焊缝，内部布置了若干厚度为1 0 和1 2 m m 的筋板。筋板布置 在制动座、电机悬挂座以及牵引座附近，以提高牵引端梁的局部抗疲劳能力。为 减轻筋板的重量，在筋板受力较小部位进行了合理设计，筋板、下盖板和立板采 用三面角焊缝。牵引座与下盖板的对接处采用圆弧过渡，减小应力集中的发生。 牵引梁的上下盖板在构架纵向错开1 2 0 m m ，避免与侧梁对接时焊缝在同一截面上， 牵引端梁中部最大承载截面尺寸：3 2 0 4 9 6m m ( 宽度高度) 。牵引端梁组成如 图3 3 所示： 图3 3 牵引端梁组成 f i 9 3 3c o m p o n e n to f t r a c t i o nb e a m 3 1 3 端梁 端梁与牵引端梁类似，也为箱型梁结构，其上焊有轮盘制动座、电机悬挂座 和排石器安装座。上、下盖板厚度均为1 6 m m ，立板厚1 2 m m ，盖板与立板连接为 角焊缝。内部布置了若干厚度为1 0 和1 2 m m 的筋板，筋板的布置与设计原则与牵 引端梁类似，端梁主要承载截面尺寸：3 2 0x 2 5 0 m m ( 宽度高度) 。端梁组成如图 3 4 所示： 3 1 4 横梁 图3 4 端梁组成 f i 驴- 4c o m p o n e n to fe n db e a m 横梁也采用简单的箱形梁结构，上、下盖板厚度为1 6 r a m ，立板厚1 2 m m 。盖 板与立板连接为角焊缝，在横梁内部和靠近电机吊座处均布置了1 2 m m 的加强筋 板，其主要承载截面尺寸：2 5 0x2 9 0 r a m ( 宽度x 高度) ，在横梁与侧梁对接处横梁 盖板采取圆弧过度，减少与侧梁立板对接时产生的应力集中。横梁上焊有电机吊 座，是主要承载部位。横梁组成如图3 5 所示： 图3 5 横梁组成 f i 9 3 5c o m p o n e n to fc r o s sb e a m 3 2 构架有限元分析模型 使用h y p e n n e s h 软件对几何模型进行有限元网格划分，考虑到转向架构架采 用s 5 0 0 m c 板材，其厚度方向的尺寸远小于其它两个方向的尺寸，故对主体结构 的离散模型采用四节点四边形单元s h e l l 6 3 ，部分吊支座结构的离散模型采用八节点 三维实体单元s o l i d 4 5 ，参照构架的几何尺寸，网格尺寸取2 0 m m 。由于构架具有对 称性的特点，在划分网格过程中采取对称模型提高计算过程中的求解精度。考虑 到个别的吊支座对于模型后面计算无关紧要，这里进行简化划分网格。最终离散 出的节点数为6 0 6 1 0 个，单元数为5 7 8 5 9 个。 对于机车构架来说，由于焊接部件非常多，而且小的倒角、小孔很多，在实 际的计算过程中，这些小的因素将会造成大的应力集中，使某些位置的应力出现 异常大值的现象，因此这些部位应该进行处理，以保证真实应力的整体分布，权 衡结果精度与计算规模，最终划分构架结构单元网格如图3 - 6 所示： 图3 - 6 转向架构架有限元模型 f i 9 3 - 6f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f b o g i ef l a m e 4 机车构架结构各载荷系加载方案与应力分布 本论文对机车转向架构架结构载荷系标定方法进行研究，主要考虑构架在运 用过程中的浮沉、侧滚、横向、摁转和电枫五种载荷系的标定方案。本章首先篙 单介绍各种载荷系形成原因，参考“u i c 6 1 5 4 规范中动力转向架构架强度试验 方法，确定各种载荷系加载时的边界条件、加载方式、部位和比例分配。并通过 有限元计算褥到每种载荷系分别单独作用时构架的应力云图帮沿纵向、横向和垂 囱的应力图，为下一章机车构架载荷系标定方案研究做好准备。 4 1 “u i c 6 1 5 。4 规范”的介绍 u i c6 1 5 - 4 移动动力装置转向架和走行装置转向架构架结构强度试 验介绍了为了鉴定转向架构架承受工作负载能力而做的各种试验。试验分为四 组： i ) 采用特殊负载的静态试验。这些试验是焉来评价几种最大工作负载联合作 用下，转向架构架会不会产生永久变形。 2 ) 模拟工作时主要负载的静态试验。这些试验是用来评价在几种主要工作负 载联合作用下，转向架会不会产生永久性疲劳裂纹。 3 ) 模拟王作时特殊负载的静态试验。这些试验是用来评价在转向架各部件 ( 电动机、减振器、防侧滚扭杆等) 重复应力作用下和车辆通过小曲率半径时转向 架是否会产生局部疲劳裂纹。 4 ) 疲劳试验。这些试验是焉来评估整个转向架工佟寿命的，评信转向架安全 性大小以及薄弱部位的。 4 2 确定浮沉载荷系的加载方案与应力分布 4 ，2 。 浮沉载荷的介绍 浮沉载荷是由车体垂向运动( 浮沉运动) 引起的垂向力变化得到的，它由垂 自力f z 的酉分数1 3 来表示：p r z 。 我们参考“u i c 6 1 5 4 规程中欧洲铁路弼常工作条件时够的取值，令= o 2 。 4 2 2 浮沉载荷作用时的边界条件、加载方式和加载部位的确定 浮沉载荷作用时，构架部分纵向、横向和垂向约束由一系弹簧弹性支承的弹 簧单元担当，三相的约束均采用弹簧元单元c o m b i n l 4 建立，并为全约束；构架另 一部分纵向和横向约束由弹簧拉杆座担当，两相的约束均采用弹簧元单元 c o m b i n l 4 建立，并为全约束。 浮沉载荷施加于构架的四个二系弹簧座上，且沿垂直向下的方向，示意图4 1 如下所示： 图4 - 1 浮沉载荷加载示意图 f i 9 4 1s k e t c hm a po ff l o a t i n g - s i n k i n gd y n a m i cl o a d s 4 2 3 浮沉载荷的分配比例 首先，计算垂向静载荷兄的大小。 f z l - 耻舞( m v - - r i b r o b ) ， 艺l = 忍2 = 1 2 2 5 k n ( k = 1 ) 式中： m 。空载时车辆的重量 i t l b 转向架的重量 n 。，_ 转向架数 k 动荷系数 ( 4 - 1 ) 故此，正常运行时，浮沉载荷f l f z = 0 2 x 1 2 2 5 = 2 4 5 k n 。 4 2 4 浮沉载荷作用下的应力分布 按照小节4 2 2 和4 2 3 所述的边界条件及加载方式对构架有限元模型进行 施加，在a n s y s 中计算，得到浮沉载荷单独作用时转向架构架应力云图( 如图4 2 ) ， 构架沿纵向应力图( 如图4 3 ) ，如下所示： _ ，i，溉嚣擎 1 3 5 1 0 5 6 7 5 69 4 s 91 2 i 6 2 图4 - 2 浮沉载荷单独作用时转向架构架应力云图 f i 9 4 - 2s t r e s sn c p h o g r a mo f b o g i e 触m eu n d e rf l o a t i n g - s i n k i n gd y n a m i cl o a d s 嘲_! 臻嚣罐簿8 黼 1 0 z 2 。一 5 2 s 3 。 一3 4 5 6 9 7 。4 5 l 。一 ，5 2 日 图4 - 3 浮沉载荷单独作用时转向架构架沿纵向应力图 f i 9 4 - 3x - c o m p o n e n to f s t r e s sn c p h o g r a mo fb o g i ef r r m c u n d e r f l o a t i n g s i n k i n gd y n a m i cl o a d s 4 3 确定侧滚载荷系的加载方案与应力分布 4 3 1 侧滚载荷的介绍 侧滚载荷是由于车体的滚动引起的垂向力的变化得到的，它由垂向力疋的百 2 0 分数0 来表示：峨。 我们参考“u i c 6 1 5 - 4 规程中欧洲铁路正常工作条件时q 的取值，令c t = 0 1 。 4 3 2 侧滚载荷作用时的边界条件、加载方式和加载部位的确定 侧滚载荷作用时的边界条件同浮沉载荷作用时的边界条件( 见小节4 2 2 ) 。 侧滚载荷施加于构架的四个二系弹簧座上，且构架同侧侧梁上的侧滚载荷方 向相同，不同侧的方向相反，示意图4 - 4 如下所示： 图4 4 侧滚载荷加载示意图 f i 9 4 - 4s k e t c hm a po fr o l ld y n a m i cl o a d s 4 3 。3 侧滚载荷的分配比例 根据小节4 1 3 已经计算出垂向静载荷尼的大小，故此正常运行时，侧滚载 荷a f z = o 1 x 1 2 2 5 = 1 2 2 5 k n 。 4 3 。4 侧滚载荷作用下的应力分布 按照小节4 3 2 和4 3 3 所述的边界条件及加载方式对构架有限元模型进行 施加，在a n s y s 中计算，得到侧滚载荷单独作用时转向架构架应力云图( 如图4 5 ) ， 构架沿纵向应力图( 如图4 6 ) ，构架沿横向应力图( 如图4 7 ) ，如下所示： 2 l _ o 激菇施。越_ 图4 5 侧滚载荷单独作用时转向架构架应力云图 f i 9 4 5s t r e s sn e p h o g r a mo f b o g i ef r a m eu n d e rr o l ld y n a m i cl o a d s 图4 6 侧滚载荷单独作用时转向架构架沿纵向应力图 f i 9 4 6x - c o m p o n e n to fs t r e s sn e p h o g r a mo fb o g i ef r a m eu n d e rr o l ld y n a m i cl o a d s 图4 7 侧滚载荷单独作用时转向架构架沿横向应力图 f i 9 4 7y - c o m p o n e n to f s t r e s sn e p h o g r a mo f b o g i ef r a m eu n d e rr o l ld y n a m i cl o a d s 4 4 确定横向载荷系的加载方案与应力分布 4 4 1 横向载荷的介绍 2 2 等。 横向载荷包括由承载质量横向振动引起的载荷和安装零部件振动引起的载荷 4 4 2 横向载荷作用时的边界条件、加载方式和加载部位的确定 横向载荷作用时的边界条件同浮沉载荷作用时的边界条件( 见小节4 2 2 ) 。 转向架上施加的横向载荷，由二系悬挂和一个横向止挡共同承担。该载荷的 分配取决于接触止挡前的间隙和悬挂装置的刚度，示意图4 8 如下所示： 制 图4 8 横向载荷加载示意图 f i 醇- 8s k e t c hm a p o fl a t e r a ld y n a m i cl o a d s 4 4 3 横向载荷的分配比例 参照“u i c 6 1 5 - 4 规程 中转向架上横向载荷的计算公式： f y = 0 5 ( f z + o 5 xm bx g ) ( k n ) 得到f = v 1 0 29k n 式中： m i ，转向架的重量 理论分配： 每个二系悬挂上e 一= 1 5 0 k n 每个止挡上c 一龇= 4 2 9 k n 2 3 ( 4 - 2 ) 4 4 4 横向载荷作用下的应力分布 按照小节4 4 2 和4 4 3 所述的边界条件及加载方式对构架有限元模型进行 施加，在a n s y s 中计算，得到横向载荷单独作用时转向架构架应力云图( 如图4 9 ) ， 构架沿纵向应力图( 如图4 一i 0 ) ，如下所示： 一 。# 嚣僦z z # g 图4 - 9 横向载荷单独作用时转向架构架应力云图 f i 9 4 - 9s t r e s sn e p h