（车辆工程专业论文）基于仿真与试验的载重450t落下孔车研制.pdf

摘要 摘要 随着我国经济和技术的不断发展，对载重量大的长大特货车需求量急剧上升，载重 4 5 0 t 落下孔车关键技术的研制意义重大。由于本文研究的载重4 5 0 t 落下孔车载荷比较 大，其主要结构部件如侧承梁、导向梁、大底架、中底架、小底架等结构强度问题需要 进行仔细的研究和分析。该车结构与以往的车大有不同，因此其动力学性能也要重新斟 酌。 本文首先运用有限元方法对载重4 5 0 t 落下孔车载荷比较大，其主要结构部件如侧 承梁、导向梁、大底架、中底架、小底架等进行了强度和刚度计算，并进行了静强度试 验，其目的是通过对车辆施加模拟货物载荷进行静力试验及重车运行试验，测量载重 4 5 0 t 落下孔车在额定载荷下，车辆各主要部件的静、动应力和变形，从而判断该车的结 构强度和刚度是否满足t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范( 以下简 称“规范) 的规定和本车设计任务书的要求。本次试验的主要考核部件为载重4 5 0 t 落下孔车的侧承梁、导向梁、大底架、中底架、小底架、等分撑杆和上、下拉杆等。然 后对其动力学性能进行了仿真计算，进一步验证了该车的轮轨安全性和平稳性满足 g b t 1 7 4 2 6 1 9 9 8 铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法标准的要求。 关键词：仿真试验落下孔车 大连交通大学t 程硕 ：学位论文 a b s t r a c t w i t hf u r t h e rd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m ya n dt e c h n o l o g y i tb e c o m e si ng r e a t n e e do fh i g hc a p a c i t yc a r ，h e n c e ，r & do fk e yt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h ew e l lc a rw i t h l o a d i n gc a p a c i t yo f4 5 0 ta t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c e a st h el o a df o rt h i sw e l lc a ri sr e l a t i v e l y h i g h ，t h es t r u c t u r es t r e n g t ho fm a j o rs t r u c t u r a lp a r t ss u c ha ss i d el o a db e a r i n gp a r t ，d i r e c t i o n g u i d i n gb e a m ，t h el a r g e s i z eu n d e r f r a m e ，t h em i d d l es i z eu n d e r f r a m e ，t h es m a l ls i z e u n d e r f r a m ei st ob ef u r t h e rr e s e a r c h e da n da n a l y z e d ；f u r t h e r m o r e ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h i sc a rs h a l lb er e c o n s i d e r e dd u et oi t sd i f f e r e n ts t r u c t u r ec o m p a r i n gw i t ht h ep r e v i o u s c a r s f i r s t l y ，v a r i o u ss t r e n g t ha n dr i g i d i t yc a l c u l a t i o ni sp r e s e n t e di nt e r m so fs i d el o a d b e a r i n gp a r t ，d i r e c t i o ng u i d i n gb e a m ，t h el a r g es i z eu n d e r f r a m e ，t h em i d d l es i z eu n d e r f r a m e ， t h es m a l ls i z eu n d e r f r a m ew i t hf e a a p p r o a c h ，t h e nt h es t a t i cs t r e n g t ht e s ta sw e l l t h em a i n p u r p o s ef o rs u c ht e s t si n t e n d st om e a s u r et h es t r u c t u r es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo fm a j o rp a r t so f t h i sw e l lc a ri nt e r m so fs t a t i cs t r e s s t h ed y n a m i cs t r e s sa n dd e f o r m a t i o nw i t hv a r i o u sr a t e d l o a d sb ym e a n so fa p p l y i n gt h es i m u l a t e dg o o d sl o a d sf o rs t a t i cf o r c et e s ta n dl o a d e dc a r r u n n i n gt e s t ，s oa st oa s c e r t a i n w h e t h e ri t s a t i s f y i n gt h es p e c i f i c a t i o na ss p e c i f i e di n 1 1 3 t 1 3 3 5 - 1 9 9 6 “s t r e n g t hd e s i g na n dt e s ta c c r e d i t a t i o ns p e c i f i c a t i o nf o rf r e i g h tc a r a n d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n tt h i st i m eo rn o t t h em a j o rp a r t so ft h i sw e l lc a rf o rt h i st e s ta r et h e s i d el o a db e a r i n gp a r t ，d i r e c t i o ng u i d i n gb e a m ，t h el a r g es i z eu n d e r f r a m e ，t h em i d d l es i z e u n d e r f r a m e ，t h es m a l ls i z eu n d e r f r a m e ，t h es u p p o r tr o d ，t h et o pa n db o t t o mp u l lr o d s ，e t c t h e nt h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nf o rt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eh a sf u r t h e rv e r i f i e dt h a tt h e s a f e t yo fw h e e l - r a i la n dr i d eq u a l i t yo ft h i sw e l lc a rc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sa sd e s c r i b e d i ng b tl7 4 2 6 - 19 9 8 “d y n a m i cp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ta n dt e s tm e t h o do fr a i l w a y s p e c i a lp u r p o s ec a ra n dt r a c kr u n n i n ge q u i p m e n t ” k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n t r i a lw e l lc a r i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬童通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为大连交通大学。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。， 本人授权太适童通太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 一签名驰窿靳躲张够锄 日期：时l 彦月f 。日日期：a 孵 i 净月7 日 工作单位 通讯地址 电子信箱 国慨口m 一中厂仰 q 邮编：厂，彬杪 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太适交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 日期： 2 0 0 8 年i 少月2 - - 日 绪论 第一章绪论 随着我国国民经济的迅速发展，特别是改革开放以来，冶金、电力、石油化工及军 事装备等事业呈现了高速发展的局面。一些大型的机械设备和军事装备在铁路运输中运 量不断增长，这些设备及装备外型复杂、体积庞大、重量达几百吨。这些货物在铁路运 输中统称为长大货物。而运输长大货物的车辆被称为长大货物车。 1 1 长大特货车发展综述 长大特货车是从专用车辆发展而来，主要用于运输大型设备，大型凹底车、钳夹车 和落下孔车是长大特货车的三大主要车型。由于特种货车的运输专业性，它已经在现代 运输中发挥了不可替代的作用，解决了世界各国大型、超大型设备的运输问题，促进了 经济的快速发展【l j 。 目前美国、德国、南非等发达国家在重载、专用长大货车研究领域居于领先地位， 国外技术性能先进的长大货车基本都由这些国家设计生产。德国一直在长大货车领域， 尤其是钳夹车领域，占有领先地位。德国的各型长大货车完成了许多重型设备的运输任 务，保证了其国内建设项目的顺利实施，其技术特性，如结构型式、液压均衡装置、地 板面高度、装货宽度、内导向及侧移装置、提升装置，影响着各国长大货车的技术发展。 总之，德国铁路钳夹车的先进技术特性，不仅满足了其本国机电化工设备运输的需要， 而且，由于车辆出口和技术转让，也促进了其他国家大型设备的现代化发展【lj 。美国长 大货车也是随着大型电机、变压器、轧钢机、反应器等重型超限货物日益增多的需求而 发展起来的。近些年随着发电设备的大量投资，特别是大型发电锅炉和变压器的运输需 要大大推动了长大货车的发展。 2 1 世纪前，我国长大货车共经历了3 个发展阶段。第一阶段为2 0 世纪5 0 6 0 年代， 这是我国专用车辆的起步阶段，在此期间，我国自行研制了一些低吨位的专用货车。第 二阶段是7 0 - 8 0 年代，在此期间，我国吸收国外先进技术研制了一些大中型车辆。9 0 年代以来作为第三个发展阶段，在开发新型车辆的同时，对旧车进行改进，逐步与国际 水平接轨。进入2 1 世纪，特种货物运输的需求量越来越大，专用货车的发展达到了一 个新阶段。 、 我国特种货车的发展特点是：载重大，自重低，速度逐步提高，吨位系列化，功能 ( 适用性) 日益增强；向大载重、系列化方向发展，轴重、构造速度及过桥速度均有较大 提高；采用了各种技术装置，功能增强，提高了运输货物的适应性；结构设计采用了现 代设计方法，优化了结构强度和刚度，降低了车辆自重；借鉴国外经验，技术上不断进 大连交通大学工程硕士学位论文 步，突破了原有的结构形式，采用了高强度钢材；根据货源情况，改造了旧车，开发性 能先进的新车。 经过这些年的发展，我国已经基本可以独立设计各种特货车辆，但是与国际先进水 平相比，我国特种货车的设计生产和运用还是存在着一些差距。随着我国改革开放后国 民经济的迅速发展和西部大开发战略的实施，特别是西电东输及航空航天建设等重点工 程的相继开工，大型、超大型设备如：发电机定子、主变压器、轧钢机牌坊等大件货物 日益增加，急需大量超大型货车以满足运输的需要，为我国长大特货车的发展带来了新 的发展机遇。 长大货物车是在铁路运输中供装运通用货车不能装运的长、大、重货物的一种特种 车辆。按照车体结构型式的不同，我国现有的长大货物车又可分为五类，即长大平车、 凹底平车、落下孔车、双联平车、钳夹车。 ( 1 ) 长大平车 长大平车主要用于装运高度不是很高而长度较长的货物，如长钢轨、长型钢、桥式 起重机构架、锅筒、以及化工反应器等。目前我国有d 2 1 型载重6 0 t ，d 2 2 型载重1 2 0 t ， d 2 7 型载重1 5 0 t ，d 2 3 型载重2 3 5 t ，d 2 5 型载重2 5 0 t ，d 2 3 g 型载重2 6 5 t 、d 2 6 a 型载 重2 6 0 t 等各型长大平车。其中，d 2 1 型为5 0 年代制造；d 2 2 型为1 9 5 9 - 1 9 7 3 年间设计 制造；d 2 7 型为1 9 7 5 年制造；d 2 3 型为1 9 7 4 年设计制造；而d 2 5 型及d 2 3 g 型则分别 为1 9 9 6 和1 9 9 7 年的产品，d 2 6 a 型则为2 0 0 0 年的新产品。 ( 2 ) 凹底平车 底架沿车辆纵向呈凹形面的这类长大货物车称为凹底平车。该类车辆具有结构简 单、使用方便、运行安全可靠、适运货物范围广等优点。可供装运拖拉机、履带起重机、 挖掘机、变压器、发电机转子或定子以及其它长大重机械设备。 凹底平车的大底架中部为沿车辆纵向向下呈现凹形，该凹底部分的长度以及凹底面 距轨面的高度是凹底平车重要的技术指标。在保证结构强度、刚度及稳定性的条件下， 凹底长度愈大、凹底面距轨面高度愈小，则车辆的使用性能愈好。大底架凹形弯角处是 大底架的关键部位，影响大底架强度、刚度及凹底长度尺寸等。过去的设计均采用圆弧 形弯角，此种结构无论从设计强度和制造工艺角度上看，均有一定的弱点。自1 9 9 7 年 以来在借鉴国外先进经验的基础上，我国已开始设计制造了大底架弯角处采用折角式全 封闭底架结构的凹底平车，如d 2 6 型载重2 6 0 t 及d 1 5 型载重1 5 0 t 均属于此种结构。 ( 3 ) 落下孔车拉1 2 绪论 在车辆底架中部开有一定长度和宽度的落下孔，装载时，货物落入此孔内。这类长 大货物车称之为落下孔车。可供运输冶金、电力、重型机械等大型货物。特别适用于那 些厚度较小而宽度较大，有一定长度的超限货物，如大型轧钢机牌坊一类的货物。 1 9 5 6 年，我国从原民主德国进口了一批落下孔车，计有d 1 6 型载重l1 0 t 、d 1 7 型 载重1 5 0 t 、d 1 8 型载重1 8 0 t 、d 1 9 型载重2 3 0 t 等四种共计1 8 辆。这批车最大的缺点 是落下孔长度太小，仅为4 6 0 0 m m ，与其载重量很不匹配，故好多货物无法运输。因此 其中有些车已被陆续改制为其它车型或进行了改造。1 9 6 9 年设计制造的d 1 7 型载重1 5 0 t 落下孔车是目前我国仅有的自行设计制造的一种落下孔车。落下孔尺寸为1 0 2 0 0 m m 2 3 0 0 m m ，共生产2 5 辆。但该车的设计结构并不太理想，当用该车运送较轻的货物时， 不但载重得不到充分利用，而且运行稳定性也欠佳。因此我国落下孔车还有待于发展研 制一批不同载重系列的新型车，以适应铁路大型货物运输的需要。 ( 4 ) 双联平车 。 双联平车系由两辆结构相同的凹形平车连挂而成，在凹形底架中央设有转动鞍座和 卡带。使用时，货物跨装于这两辆车的鞍座上，适用于装运长大重的圆筒形货物。 为解决进口大型化肥设备中氨合成塔和尿素合成塔及其它重型设备的运输问题， 1 9 7 4 年设计制造了2 辆d 3 0 型载重3 7 0 t 的双联平车。全车由两组完全相同的凹形平车 组成一体，为使货物在运输中免受过大的纵向冲击，在两组车联成一体的中间两车钩之 间，须装上车钩缓冲停止器。鞍座和卡带的圆弧半径根据所运货物的实际尺寸来确定。 如果鞍座的宽度超出机车车辆限界，则可以在空车时将其旋转9 0 。，沿车辆纵向中心安 放并固定，以免空车回送超限。因为双联平车运输的特点是货物两端必须支承于鞍座上， 如所运货物长度较短，可采用装设临时接长支架的方法来使货物的支承点达到两鞍座中 心。所运货物本身必须能承受自身的强度与刚度。如确有必要，双联平车也可拆成单节 车运货，但实施之前须报铁道部批准。 ( 5 ) 钳夹车【3 】 车体分为两个可分离的部分，货物被夹持和悬挂在其间运输的长大货物车称为钳夹车。 钳夹车具有独特的超限运输能力，它可装有多导向、侧移机构，以解决车辆在宽度方向 的极度超限；可装有液压起升、下降机构，且为无承货地板面限制，可充分利用限界高 度。钳夹车特别适合于装运短、粗、重货物，如宽度、高度均很大的发电机定子、变压 器、轧钢机牌坊等。 我国目前拥有5 种型号的钳夹车共5 辆，虽为数不多，却已完成几十次重大货物运 输任务，为国民经济的发展作出了重大的贡献。 大连交通大学| t 程硕士学位论文 针对国内钳夹车仍存在着自重大、载重小、数量少、运行速度低、过桥需限制、满 足不了大件运输的需要的问题，进入9 0 年代以来，车辆工作者又开始了新犁钳夹车的 研制。1 9 9 5 年设计制造了d 3 0 a 型载重3 0 0 t 的钳夹车，该车系针对d 2 0 型载重2 8 0 t 钳 夹车自重大及重车运行速度低的主要问题进行改型设计的。1 9 9 6 年齐厂与四方所、铁科 院合作研制了d 3 8 型钳夹车，该车载重3 8 0 t ，自重2 2 6 t ，是我国目前载重吨位最大的钳 夹车。它借鉴了德国5 0 0 t 钳夹车的先进技术，采用了高强度钢材，具有内、中、外三种 导向，液压侧移，压柱油缸可提升、下降货物，纵向连通的液压旁承，车耳镶球套，半 球形心盘及自润滑聚四氟乙稀心盘衬垫等新技术，钳夹宽度和高度均可调整。该车还配 有4 组高钳形梁，用以运输国产6 0 0 m w 定子。d 3 8 型钳夹车可限速通过国内各种跨度 的混凝土桥梁，提高了运行速度，扩大了使用范围和使用频率，提高了利用率。 1 2 国内外落下孑l 车现状 ( 1 ) 国外落下孔车现状【4 】 国外落下孔车在长大货物车中占有的比例较小。这是因为在近2 0 年来，发达国家 的基础工业特别是冶金、电力等行业已经发展到相对稳定期，企业改建或扩建项目较少， 使得货源及运输这类货物的车辆数量相对较少，特别是运输轧机机架类的落下孔车数量 更是很少，载重吨位也不是很大。大吨位机架通过公路运输，也是导致铁路落下孔车数 量少的原因。德国制造的载重1 4 0 t 落下孔车，自重5 5 5 t 、轴数l o 轴；前苏联落下孔车 轴数一般为4 轴8 轴，载重为3 0 一1 2 0 t 。其中，载重1 2 0 t 车的落下孔车轴数为8 轴， 落下孔宽度为2 4 2 0 m m ，长度为1 0 8 0 0 m m ；美国铁路有8 轴载重11 4 t 的落下孔车等。 另外，其它车型如钳夹车也可通过侧承梁方式运输一些轧机机架，这也是国外专用落下 孔车数量少的原因。 国外这些落下孔车由于载重吨位较小，因此，在材料上基本选用了普通钢材，车辆 的构造速度是：空车8 0 1 0 0 k m h ，重车6 0 k m h 以上。 ( 2 ) 国内落下孔车现状 五六十年代，为适应当时的国民经济发展，向国外购买了一些长大货物车，自行设 计制造了少量长大货物车。改革开放以来，为解决大型电站设备，大型轧机设备，以及 引进大型化肥设备的要求，铁路长大货物车有了长足的发展。尤其是近十年来，随着 经济体制改革的深化，市场经济的发展，车辆设计、制造人员在长大货物车设计、工艺 方面水平的不断提高，以及各种新技术、新材料、新结构的引进，铁路长大货物车的发 展进入了一个新阶段。 4 绪论 我国铁路早期的落下孔车均由原民主德国进口，有d 1 6 型载重11 0 t 、d 1 7 型载重 1 5 0 t 、d 1 8 型载重1 8 0 t 、d 1 9 型载重2 3 0 t 等四种共计1 8 辆。这批车最大的缺点是落 下孔长度太小，仅为4 6 0 0 m m ，与其载重量很不匹配，故多数货物无法运输。1 9 6 9 年， 我国设计制造了d 1 7 型1 0 轴载重1 5 0 t 落下孔车，落下孔尺寸为1 0 2 0 0 m m 2 3 0 0 m m ， 共生产2 5 辆。进入2 1 世纪，我国铁路相继研发了d 1 7 a 型载重1 5 5 t 、d 3 2 型载重3 5 0 t 落下孔车。早期车型经过三十多年的运用，有些车已被陆续改制为其它车型或进行了改 造。目前我国铁路适合轧钢机机架等货物运输的落下孔车辆有d 1 7 型载重1 5 0 t 、d 1 7 a 型载重1 5 5 t 、d 1 9 g 型载重2 5 0 t 和d 3 2 型载重3 5 0 t 等4 种车型。 近年来，尽管我国落下孔车有了一定的发展，但也存在着大吨位车数量少、载重不 足等问题，其性能难以适应国民经济发展的要求，有必要研制白重轻、载重大、速度高、 功能多、落下孔长度大、便于装卸，尽量与我国铁路桥梁实际承载能力及限界等相适应 的新型大吨位落下孔车。 ， 1 3 车辆多体动力学研究概况晦1 1 车辆曲线通过性能研究进展 近年来，如何提高车辆的曲线通过性能成为国际范围内的研究热点。一方面通过改 进转向架结构( 如在轮对间加设连接机构) ，一方面通过采用主动导向控制技术，以实 现在不降低车辆运行稳定性的前提下提高曲线通过性能。日本国家交通安全与环境实验 室a m a t s u m o t o 等提出了“主动导向转向架 的概念。英国l e e d s 大学s w s h e n 等开 展了转向架主动导向控制策略的基础性研究。日本东京大学y s u d a 等提出了采用轮轨 摩擦控制器改善曲线通过性能的方法。瑞士b o m b a r d i e r 公司o p o l a c h 研究了采用混合 轮对机车转向架的曲线通过和稳定性优化问题。美国运输技术中心( 1 t c i ) h w u 研 究了货车转向架心盘摩擦对曲线通过和横向稳定性的影响。澳大利亚昆士兰中央大学的 y h a n d o k o 等利用v a m p i r e 软件首次研究了非对称制动力对货车曲线通过性能的影 响。 2 车辆运动稳定性研究进展 车辆非线性运动稳定性属于理论性很强的研究领域，甚至涉及浑沌、分叉等深层次 概念。近年国际上对此专题的研究仍以理论研究为主，但出现了一些新观点，如曲线上 的运动稳定性、轨道体系对车辆运动稳定性的影响等。丹麦工业大学h t r u e 等在转向 架非线性运动稳定性及分叉研究的基础上进一步分析了具有干摩擦悬挂阻尼货车轮对 的动力学稳定性问题。澳大利亚f x i a 和丹麦工业大学h t r u e 研究了三大件式货车转 向架的动力学问题，其主要特点是考虑了楔块二维干摩擦特性( 以前均简化为一维问 大连交通大学工程硕士学位论文 题) 。德国d l r 的j a r n o l d 等探讨了考虑车轮弹性对铁道车辆运行性能的影响。波兰 华沙技术大学k z b o i n s k i 等认为，考虑铁道车辆在曲线轨道上的运动稳定性是必要的。 3 车辆轨道相互作用研究进展 车辆轨道( 轮轨) 相互作用一直是铁路车辆系统动力学领域的研究热点之一，并 已取得很大进展。近年来本专题的研究可归纳为2 个方面：一是发展更为完整的车辆 轨道相互作用模型，考虑更为复杂的动力学影响因素，以使研究进一步接近实际；二是 结合铁路轮轨运输中出现的实际接触问题( 特别是滚动接触疲劳问题) ，采用车辆动力 学仿真的分析研究手段提供理论解释及解决途径( 如设计更合理的车轮型面) 。瑞典 c h a l m e r s 技术大学j c o n i e l s e n 等发表了一篇关于列车轨道相互作用及轮轨表面不 规则磨耗机理方面的述评论文，详细讨论了轮轨表面出现的3 种不规则磨耗的成因、后 果及其减轻措施。英国道比a e a 铁路技术公司j r e v a n s 等针对近年来英国铁路愈来 愈严重的轮轨滚动接触疲劳( r c f ) 问题，从车辆动力学角度分析r c f 产生的原因及防 止途径。南非s p o o r n e t 的r f r o h l i n g 等从理论分析和运用经验方面介绍了大轴重 ( 3 0 t ) 条件下车轮踏面磨耗及滚动接触疲劳问题。 1 4 本文主要研究内容 本文研究的载重4 5 0 t 落下孔车是国内外载重吨位最重、落下孔尺寸最大的落下孔 车。该车载重4 5 0 t 、自重2 0 2 t 、落下孔长尺寸1 6 1 m ，车辆长度近7 0 m 。主要由侧承梁、 导向梁、大、中、小底架、转向架等共3 0 个刚体元件组成。其中侧承梁长4 1 5 m 、宽 3 3 0 m m 、高2 7 m 。导向梁为t 型梁，长近6 m 。 该车是在中国标准轨距铁路上使用，主要用于装运电力、冶金、化工、重型机械等 行业的超限、超重阔大货物的专用落下孔式长大货物车，如运输5 m 、5 5 m 轧钢机机架 设备等；是目前国内载重量最大的长大货物车；落下孔尺寸长度为1 6 1 m 、最大宽度为 2 3 5 m ，是国内外铁路落下孔长度尺寸最大的车辆。 根据铁道部科技研究开发的要求，铁路运输部门急需载重在4 0 0 - - 一4 5 0 t 级新型落下 孔车，满足目前5 m 、5 5 m 轧机机架的运输需要。为此，现对齐车公司设计的载重4 5 0 t 落下孔车车体主要部件进行有限元分析计算及结构优化。并进行了静态强度和刚度试 验，其目的是通过对车辆施加模拟货物载荷进行静力试验及重车运行试验，测量载重 4 5 0 t 落下孔车在额定载荷下，车辆各主要部件的静、动应力和变形，从而判断该车的结 构强度和刚度是否满足t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范( 以下 简称“规范”) 的规定和本车设计任务书的要求。本次试验的主要考核部件为载重4 5 0 t 6 绪论 落下孔车的侧承梁、导向梁、大底架、中底架、小底架、等分撑杆和上、下拉杆等。通 过静态强度和刚度实验验证了该车满足设计要求。 并为了保证该车动力学性能进行了动力学计算和试验。 ( 1 ) 4 5 0 t 落下孔车的曲线通过性能 ( 2 ) 4 5 0 t 落下孔车的运动稳定性 ( 3 ) 4 5 0 t 落下孔车的横向及垂向运行平稳性 在各项计算中除对已经给定的车辆参数进行分析外，还对各项影响较大的参数进行 适当变化，以观察各参数选择是否合理，并且找出参数改进的方向。 本章小结 本章讨论了国内外长大货物车现状，介绍了刚多体动力学发展概况，讲述了本文将 要研究的主要内容。 7 大连交通大学t 程硕十学位论文 第二章相关理论 2 1 有限元算法原理 有限单元法的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 8 】。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又 可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。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 待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点 的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其 导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，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值，从而得到整个求解域上的近似值。显然随着单元数目 的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度数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，近似解最后将收敛于精确解。 当前的有限元法是以位移为基本未知数，依据变分原理中的最小势能原理来建立有 限元求解方程的。其基本思路是：将计算对象进行离散，然后研究结点的平衡，最后， 利用插值技术获得域内解。下面以弹性力学平面问题为例，给出有限元法的算法原理【6 1 。 首先，将连续体划分成有限个单元，单元之间由结点互相连接，不同单元的结点有 不同的结点自由度。对于弹性力学平面问题，则单元内任一点l x ，y ) 的位移 ( u ( x ，y ) ，v ( x ，y ) ) 的插值公式总可以写成 u ( x ，力= m ( x ，少) 甜，i 吣：壹n i ( x , y ) u 盯。d i j ( 2 1 ) 式中u ( x ，y ) ，v ( x ，少) 分别代表点( x ，y ) z e x 和y 方向的位移，u i , _ 分别代表单元结点f 的位移，v i ( x , y ) 代表插值形状函数，称之为位移形函数，它实现了用结点位移表示单 元内位移的插值联系。单元结点上的位移是“有限”的，单元内的位移点是“无限”的，正 是式( 2 1 ) 中的插值形状函数建立了二者之间的联系。 弹性力学平面问题的几何方程给出了位移与应变之间的几何关系： 锄加锄加 j2 瓦y2 万v 砂2 万+ 一o x ( 2 2 ) 第二章相关理论 将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) ，可得 8 = b d ( 2 3 ) 式中，称之为应变向量，d 称之为单元结点位移向量，b 称之为几何矩阵，它是 对位移形状函数求导数得到的。式( 2 3 ) 实现了用结点位移表示单元内任一点处的应变。 另外，弹性力学平面问题的物理方程( 广义虎克定律) 给出了应变与应力之间的物理关 系： 仃= e e ( 2 4 ) 式中o = 仅q f 矽夕1 称之为应力向量，e 称之为弹性矩阵，它取决于材料的物理特性， 对各向同性材料的平面应力问题， e = 毒 1 一“2 1 1 0o o 0 1 一 2 式中e 是材料杨氏模量，是波松比。将式( 2 3 ) 代入式( 2 4 ) ， o = e b d ( 2 5 ) 于是 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 实现了由结点位移表示单元内任一点处的应力。 根据弹性力学理论，线弹性连续体的总势能可以写成积分形式： 刀= 工三2 r 既机工f t f 批厂r 驴办 ( 2 7 ) 式中，第一个积分是单元内应力的功，此功作为应变能储存起来，后两项分别表示 体力和面力在它们的移动方向上所做的功而导致的势能减少，= 似似1 ，伍圳7 是位移 函数，v 代表积分体积，s 代表边界表面上的积分面积。将式( 2 1 ) 和式( 2 3 ) 代入( 2 7 ) ， 于是得到了用结点位移d 表示的单元总势能： n e = 1 2 d t b t e b d v ) d d ti ：n tf dv d tln t 擎ds ? 2 j 乱 结构的总势能是对每一个单元势能求和得到的，同时还应包括作用在结构某些结点 上的外加集中力p 的势能，定义p 的分量与结点自由度方向相同为正，于是得到结构的 总势能： 刀= l 见i d 7 尸 9 大连交通大学工程硕士学位论文 式中d 被定义为结构所有结点的总位移向量，它包括了所有单元的结点位移，所以， 只要单元结点位移d 假想扩大“结构大小”，式( 2 9 ) 中的累加就可以进行，从而可得用 所有结点位移表示的结构总势能： 口= 吉。r ( 苹p r 皿咖) 。+ 。r 苹c 工r f d v f r 妒凼) 一。r 尸。2 。， 至此，从结构离散成有限个单元至用有限多个结点位移表示结构总势能的过程全部 完成。式( 2 1 0 ) 非常重要，它实现了用有限元模型替代原结构物理模型，并将结构的 总势能凝聚成了d 的函数。 引入最小总势能原理，得到平衡条件： 8 no ha n 、 一= 一= = 一= o d i 迥0 1 9 ( 2 11 ) 望：o 式中n 是结构自由度总数，如果以矩阵形式表示，有a d ，求导数，得到描写结 构平衡状态的方程： 甬栅咖卜苹( p 肋+ r 触卜 这是以n 个独立位移为未知数的n 个线性代数方程，式中，令后2pe b d v ，称 之为单元刚度矩阵；令式右端的第一项为单元结点等效力r 的累加，则式( 3 1 2 ) 可简 记为： l ki d = r + p 11 ( 2 1 3 ) k ：yk ，r ：y ，+ p 再令 午午 ，则( 2 1 3 ) 又可简记为： k d = r ( 2 1 4 ) 式中，k 称之为结构整体刚度矩阵，是由单元刚度矩阵k 根据单元结点编号信息累 加而成的，其中每一个元素仅取决于构成单元的材料及几何形状。k 是一个对称阵，另 外它还是一个以对角元为中心的稀疏带状阵，并由此形成了它特有的存贮与求解方式。 总之，利用最小总势能原理，将平衡问题归结为式( 2 1 4 ) 那样的一组平衡方程， 求解该方程组，可得离散后所有结点上的独立位移，进而可求单元内的内力或应力。这 1 0 第二章相关理论 7 o l - i ：= 0 些平衡方程反映了结点上的平衡条件，即叫，所以式( 2 1 4 ) 的解是原问题的近 似解，其近似程度不仅取决于离散过程中网格的疏密，也取于被选取的单元类型。关于 以假定位移场为基础的平衡和连续性的要求、关于收敛和协调性的讨论、关于提高计算 精度的等参元等等问题在王勖成和邵敏专著有限单元法基本原理和数值方法( 清华 大学出版社) 中有详细介绍，这里不再重复。 2 2 基于有限元法的强度及刚度分析 前面介绍了有限元法的基本理论，而现在要进行的就是基于有限元法的强度和刚度分 析。设计过程中，任何轨道车辆，其结构除应当满足特定的需求外，自身一定要有最基 本的承载能力，而这种承载能力是用多指标度量的，强度是其中一类。下面就介绍一些 基础的结构强度问题所涉及到的概念【7 】。 应力是指在外力作用下，结构任一内点单元体上单位面积的内力。应力的表达式如 下式： 仃( z ，y ，z ) ：z 砌箜堡业! ( 2 1 5 ) 、 鲋 式( 2 1 5 ) 中，s 表示力，彳表示面积。当给定彳时，内力s 与彳之间的作用方向不同 而导致不同的应力分量，例如正应力仃x ，剪应力仃矽等。应力状态是坐标系下的不变量， 而主应力不过是s 与彳之间变换的结果，是应力状态的一种特殊形式。应力的实质是力， 是一矢量。当内力不变时，结构内任一点的应力状态是不变的。当应力仅为协，y ，z ) 的 函数时，为静应力问题，当还与时间f 相关时，为动应力问题。动应力闯题是四维问题， 远比静应力问题难处理。本文要介绍的都是静应力问题。 应变的含义是指在外力作用下，结构任一内点单元体自身几何形状的相对改变的 度量。例如正应变5 “，剪切应变6 矽等，类似于应力状态，主应变状态是其一种特殊情 况。应变无量纲。当内力不变时，结构内任一点b ，y ，z ) 的应变状态是不变的。当应变 仅为l x ，y ，z ，的函数时为静应变问题；当应变还与时间f 相关时，为动应变问题。 由式( 2 1 2 ) 可以知道，在弹性变形范围内，不管应力状态多么复杂，应力与应变 之间存在唯一的对应关系。主应力与主应变之间亦如此，例如已知主应变时，也可以由 r、f、 式( 2 1 2 ) 得出应变。显然，已知主应力p j ，由胡克定律可以求出主应变忙j ，这个属 大连交通大学工程硕士学位论文 于力法，已知主应变忙j 时，由虎克定律可反求i a r ，这个属于位移法。注意到应力与应 变之间的逻辑关系，对结构强度设计的方法选择具有重要指导意义。 前面的式( 2 1 2 ) 给出了主应力和主应变的关系，而下面将解释结构应力的局部属 性问题，由式( 2 1 0 ) 可以知道位移与应变之间的几何关系，而由式( 2 1 0 ) 和( 2 1 2 ) 可以得到的结论是：当给定结构及材料后，应力由位移的导数决定，也就是通常所说的 应力具有局部一阶微分属性。 强度是指结构在外力作用下不发生破坏的能力。“破坏的准则取决于设计要求， 例如：发生塑性变形、发生裂纹或断裂。结构设计的一个目标是：结构必须满足强度要 求，这样结构才能正常工作的功能。 强度理论是指对结构材料破坏的原因，提出了各种不同的假说，即通常所说的第一 至第四强度理论。第一强度理论是指最大正应力理论、第二强度理论是指最大线应变理 论、第三强度理论是指最大剪应力理论、第四强度理论是指形状改变能密度理论。 第四强度理论的计算公式为： 万一蝎= 1 i l ( 盯l 一仃2 ) 2 + ( 仃2 一仃3 ) 2 + ( 盯3 - - ( 7 1 ) 2 】b 】 ( 2 1 6 ) y 二 该理论已列入铁道部机车车辆强度设计标准。也是本文采用的强度理论。 研究强度理论的目的：设法找到在复杂应力状态下材料破坏的共同原因，然后利用 轴向拉伸或压缩的试验结果建立复杂应力状态下的强度条件。在上述强度理论中，应力 与时间无关，因此是一静强度理论。当应力与时间密切相关时，必须应用疲劳强度理论， 否则会出现重大设计隐患；当在许多应力中考虑动载荷的影响时，采用的是动荷系数。 事实上，动荷系数的人为全局性与应力状态的客观局部属性是冲突的，用一个动荷系数 修正得到许多应力进行强度设计，将偏于保守，因此严格意义上说是不科学的。 2 3 动力学性能计算的基本原理 载重4 5 0 t 落下孔车的动力学性能按g b f r 5 5 9 9 1 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定及试 验方法进行评定和考核。计算的主要内容有车辆蛇行运行稳定性、运行平稳性和通过 曲线时的安全性能等，主要动力学性能指标包括： ( 1 ) 车辆蛇行运动稳定性的临界速度( v 。r ) ； ( 2 ) 车辆在直线上运行时横向和垂向平稳性指标( w y ，w z ) ，车体的横向及垂向最大 加速度( a y ，a x ) ； ( 3 ) 车辆通过曲线时的轮轨横向力( q ) 、轮轴横向力( h ) 、脱轨系数( q p ) ，轮重减载 率( ap p ) 和倾覆系数d 。 1 2 第二章相关理论 2 3 1运行稳定性计算原理 铁道机车车辆运行时伴随一种特殊形式的自激振动蛇行运行，蛇行运动是具有 一定形状踏面的铁道车辆轮对沿着平直的钢轨滚动时，会产生一种振幅有增大趋势的特 有运动。轮对一边横向移动，一边又绕通过其质心的铅垂轴转动，这是一种自激振动。 轮对的蛇行运动会诱发转向架和车体在横向平面的振动。长期以来，求解机车车辆的横 向运动微分方程采用两步q r 法的有效方法。但该法要求运动微分方程必须是线性的。 对于非线性的车辆系统，蛇行运动的微分方程也是非线性的，在仿真分析中采用数值积 分方法来估测车辆的蛇行运动稳定性的临界速度v c r 。前面推导的系统微分方程组可用 下列矩阵形式表示： m 往) + c g ，戈) + k g ，戈) = 0( 2 1 7 ) 式中：【m 】一质量矩阵； c ( x ，戈) 一阻尼矩阵； k ( z ，j ) 一刚度矩阵； x _ 一状态向量。 计算机程序中采用四阶龙格一库塔数值积分方法求解( 2 17 ) 式，通过极限环来判定 非线性车辆系统的稳定性。这种方法的基本原理是，当车辆系统受到一个初始激扰后， 观察车辆系统各刚体的振动情况，利用相平面分析各刚体极限环的收敛和发散。如收敛， 如图2 一l ( a ) 所示，则车辆是稳定的；如发散，2 1 ( b ) 则车辆处于失稳状态；如极 限环不收敛，也不发散，2 1 ( c ) 所示处于一种临界状态。此时车辆的运行速度称为 临界速度 一霎一霎一 事纛行曼j | - i 车_ 行蠢翩 车辆辑摆两 ( 喜)( b )( c ) 图2 1 车辆蛇行运动稳定性示意图 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es t a b i l i t yo i lv e h i c l e sh u n t i n g 2 3 2 运行平稳性计算原理 在运行平稳性分析中，将同时考虑车辆在横向和垂向两个方向的运动， 以下非线性微分方程组进行描述【8 】： 因此，可用 垒兰竺堡查兰! ! 璺占兰丝堡兰 阻 + f ( t j ) = f 0 ) 式中：f b ，x 1 一悬挂力矢吊； f ( f 1澈扰力矢量； 由于外力是堪过钢轨对轮对的强迫位移激振巾得到 仅为轨道不平顺的函数。 f 2 1 8 1 所以( 2i 8 试右端j , l - j s 向鞋 通过采用时域内轨道不平顺的输入用逐步积分法求解非线性系统的响应，即求解 ( 21 8 ) 式的初值问题； r 2 1 9 、 激扰儿是由于轨道小平顺引起的。由于线路铺设和维修的实际工作条件，线路不可 能绝对平整，往往线路的实际情况与理想情况是不一致的。线路名义尺寸与实际尺寸 之差称为线路不平顺。线路不平顺不是一个确定量，它因时因地而有不同值它的变化 规律是随机的，具有统汁规律，因而称为随机不平顺。 i ! 在线路同一横截面x 处，左侧 钢轨顶部实际位置与名义位置垂向偏若为z ，( x ) ，横向偏差一( x ) ：右侧钢轨顶部实际位 置与名义位置的偏差圣向为z 。i x ) ，横向为一( j ) ，如图22 。 ；融娜擀i l j ，l 一 罔22