（车辆工程专业论文）上海地铁车辆转向架构架裂纹问题的研究.pdf

j ；i 曰i 7 虱妻薹! n j 孽 ? 垂j 妻鲁藿孽釜耄笋塞垂t 笔静掌争宝雏j ? 蘼隆匿；l ；誊章垂薯；羹喜茔圭主善一 霉| ：莹：丰量差? 一 舌专霉嘎妻蔓_ 三 装妻主量；三 壹。妻奠i ! 蕈三二i 妻譬娃薹羹i jf 棼警薄崔盎誉m 誊吾蓦舀! j ；主嚣挈 耋 圣妻l 宝要r 二l 羔j 萑萑曩主l 莨蓁薹j 董善；鸟摹垂三至音 譬囊耋差譬莓= ! 譬蜀习辇画阡眶蓄 自喜妻i 毒薯雪望露哮冀雪芎睾i ! 蠡誊羹 至薹耋碧1 叫l 鼍；一i 囊基叠耋重量毒乔y 星薹毳喜；1 一，v o 鱼鬈鄞主 妻蚕羹皂 爹 雾= 警；耋薹鐾萋雏弱；童碧蓟曼薹；彝j ! 萋喜挈 j 妻霉妻f ；毒j t 善；i 蔓茎鲤；薹卦 萎萼j 霾_ 音醛譬，錾墅耋毫矍譬i 塞霉；董重宝薹萎星挲鼍i 三皇i 富u 孳9 堂掣毒亭窘雩乎毒舞醒薹裁量i j 善善1 妻! 薹亨；0 4 畦! 莲瞳耋垂毒毒箨箩；垂量串呈孽譬i 篓! 妻苫r 暑；三薛晌螫冒皇犁蓄；磊：雪；_ 薹疆譬錾 翻黧葛i 罩i 主譬堂；警薯彗i 薹静孽警j ! 耋毫鼍呈i 暑重! ；睦g 笔ii 矗鱼毒喜薛鐾l 痞降睦三譬詈雪 舀i 暑螽鼍呈葬燕i j 暑妻差? 筝 | = i 自垦事| 薹萋l 茎量囊l 誓妻孽季毒茎i 虱一型擘l 晒车囊算差 妻囊害二l 箸萤矗建 咎堕鲢雪囊气捏童誊每哇爵鍪矗拿蓄言孽 暮基窑富童蛊。囊= 曼嚣蔡棼j ：；三至曩晕熏 圣母董茎：耋萝薹i 重重毒 二耋篝! 享i 耋i 荨下睾一辜i 量墓垂茎竹重韭曩蓄+ 奄蚕鬻叠i 羹囊 、逢焉菇祷孽南盖了争 寿薹三l 蹩嚣： 轰硅i 譬! i ! 童薹罐辇t 孺蓦彗；至辜每事! 毳鹜：菱霉耋窘罐主譬! i 0e 睦冀翥晶睁童羲要i j i 三 羹垂姜 ：耋f 嚣霉 曼；垂喜；蓦 ! i 莹曩鲁蓍要矿羹嚏碧t ；l 孽争 ；? ；囊； ! i 暮薹蓬鬟妻錾i 喜盖薹爹l 筵曼o 垂毫 冀靼翟 蠡鼋d i ；譬 年争 i 孚| 差摹藿靠垂童垂； i 毫毫霆；芝詈警 主霪善善j 童 耋蕈圭毛圣季$ 手董i 每；| 主蓍， 疆高i 鐾；蟊薹；萼与登，掣量兽至； 萤芎i 蓄? 翥；妻薹薯蠢j 嚣氢鲥曲量蚤；兰商旦；鼍瞎阡瞻；要薹薹囊氢i 喃| 。毒唾圣喜；亨毒j 乎圣擎妻墅j 兰霉南彝罄妻 妻宝季耋! ! 型民蓍自i 薯毒j ? 妻霎j 赛驴蓦；l 到凶器；芋i 器| 蓄；| ；三圣；置薹乏搴字争耋j 妻l l ；耋事墨萝；享耄f ；笔莲：至至f ￥董 攀垄辇! 毽 手耋三ij 差三型匡手垂妥；妻；耋受囊 北京交通大学工程硕士论文 a b s t r a c t u r b a nr a j l w a yt r a n s p o n a t i o ni sam a i nm o d ec h o s e nt od e v e l o pi n t h ei n t e r n a t i o n a lm e t r o p o l j sb e c a u s ei th a so u t s t a n d i n ge x c e l l e n c e s w i t ht a k i n gm o r e ，m u c he f f i c i e n cy c o m f o r t a b l e ，s a f ea n dp u n c t u a l t h et r a i n sd c 0 1a n da c o i 0 2o ft h es h a n 曲a im e t r ol i n e1 2w e r e i m p o r t e df r o mg e r m a n y u pt i l ln o w ，p a r t p l a c e s0 fb o g i ef r a m e s h a v ec r a c k sm o r eo r1 e s s f o rt h em e t r ov e h i c l e ，b o g i ef r a m ei st h e m o s t j m p o r t a n tp ar t ， w h i c hc r a c k s d i r e c t l y a f f e c t s a f e t y a n d o p e r a t i o nq u a i “yo ft h et r a i n s s o j th a sp r a c t j c a ls i g n i f i c a n c et o r e s e a r c hb o g i ef r a m ec r a c k sis s u e s t h r o u g h t h em e t h o d so ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s a n ds t r es s m e a s ur e m e n to n1 i n e ，t h e p a p e r s t u d i e st h es t r u c t u r e d e s i g n s t r e n g t ho fb o g i ef r a m e t h em a i nr e a s o n so fb o g i ef r a m ec r a c k s a r ef o u n d ，w h i c hj st o oi j t t l ef o rd e s i g na n dc a l c u l a t i o ni o a d so ft h e b o g i ef r a m e ，u n r e a s o n a b l el o a d sq u a n t i t i e st a k e ni n t oa c c o u n tj n t h ed e s i g na n dt h ed e f i c j e n c yo ft h ep a r ts t r u c t u r es t r e n g t ho ff r a m e t h e nt h ep a p e rc a l c u l a t e st h er e i n f o r c e m e n tb o g i ef r a m et h r o u g h f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h ep a p e re v a l u a t e st h es t a t i cs t f e n g t h ， t h ed y n a m i cs t r e n g t ha n dt h es t a t i cs t r e n g t hu n d e rt h ep a r a n o r m a l l o a d sa c c o r d j n gt ot h ef o u r t hs t r e n g t ht h e o r y ，t h eg o o d m a nc u r v e s a n dt h es t r e s s y i e l do ss e p a f a t e l y f i n a l l yt h ep a p e rt e s t st h e r e i n f o r c e m e n tb o g i ef r a m eu n d e rt h el o a dm e a s u r e do nt h el i n eo f t h e g u a n g z h o u a n d s h a n g h a i m e t r o a c c o r d i n g t ot h et e s t p r o c e d u r e sd r a f t e do u tb yu i c 6 1 5 4s t a n d a r da n dt h ee x p e r i e n c eo f b o g i ep r o v j d e r s n oc r a c k sa r ef o u n di nt h et e s t s t h r o u g h t h e m e t h o d s0 ft h em a g n e t i cp o w d e ra n du l t r a s o n j cc h e c k d r a w i n g a c o n c l u s i o n ， t h er e s u l t so ft h e s t r e g t h t e s to f 第3 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 r e i n f o r c e m e n tb o g j ef r a m ea r ec o n s i s t e n tw i t ht h ef i n “ee l e m e n t a n a l y s i s ，a n dt h er e i n f o r c e m e n tb o g i ef r a m em e e t st h ed e m a n d sa n d o p e r a t i o nc o n d i t i o n s0 f t h es h a n g h a im e t r o k e yw o r d s ：b o g i ef r a m ec r a c k s ，s t r e s sm e a s u r e m e n to nl i e ， f i n i t ee i e m e n ta n a l y s i s ，s t r e g t ht e s t s 第4 页共7 4 页 北京交通大学t 程硕士论文 第一章概述 1 9 9 1 年，上海地铁总公司通过g s m g ( g e r m a na n ds h a n g h a i m e t r og r o u p ) 从德国引进第一批地铁车辆( 共9 6 辆) ，所采用 的传动方式是直流传动，即牵引电机是直流电机，用于上海地铁 1 号线的运营。 1 9 9 8 年，上海地铁总公司再次通过g s m g ( g e r m a na n g s h a n g h a im e t r og r o u p ) 从德国a d t r a n s 公司( 西门子集团公司和 庞巴迪集团公司合作的项日公司) 引进第二批地铁车辆( 共2 2 2 辆) ，所采用的传动方式是交流传动，即牵引电机是交流电机， 用于上海地铁l 、2 号线的运营。 现有的上海地铁列车是由六节车辆编组，含有a 车、b 车和 c 车的三节车辆为一个单元，其中a 车是无动力的拖车，b 车为 带受电弓的动车，c 车不带受电弓的动车。每列车由二节拖车和 四节动车组成，每节车辆装有两个转向架。转向架分为拖车转向 架和动车转向架。 转向架的基本作用是支承车体，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，并使轴重均匀分配；保证车 辆能灵活地沿轨道安全运行；充分利用轮轨之间的粘着作用，传 递牵引力和制动力。 上海地铁的高速发展，要求运营列车的高度安全和可靠，而 转向架的安全性是保证列车安全的最有力保障。 1 1 上海地铁车辆转向架的简介 上海地铁前后所购两批地铁车辆的转向架是由德国杜瓦格 ( d u e w a g ) 工厂设计和制造，见图1 1 。杜瓦格转向架采用了无 摇枕、无摇动台和空气弹簧结构，具有国际先进水平。该转向架 第8 页共7 4 贞 北京交通大学工程硕士论文 有二种形式，一种为提供动力转向架即动车转向架，另一种为无 动力转向架即拖车转向架，两者的区别在于动车转向架装有二台 牵引电机、减速箱及联接电机和减速箱的联轴器。 转向架的减振系统由二系悬挂装置( 一系人字形橡胶弹簧和 二系空气弹簧) 、液压减振器( 二个垂向和一个横向) 、抗侧滚扭 杆和橡胶缓冲止挡等部件组成。 车体直接支撑于构架侧梁的空气弹簧上，并通过心盘和中心 销相互连接，彼此可相对回转。 轴箱减振嚣 空气弹簧抗侧滚扭杆 图1 1上海地铁l 号线车辆转向架 转向架的主要技术参数如下表1 - 1 ： 第9 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 表1 1转向架的主要技术参数 序号名称技术参数备注 l最人运行速度8 0 k m h 2最大起动加速度0 9 m s 2 3最人制动加速度1 o m s 2 4起动粘着系数 0 1 6 4 5制动粘着系数 0 1 6 4 6正线曲线通过半径3 0 0 m 7固定轴距2 5 0 0m m 8车辆定距1 5 7 0 0 m m 9轴数 2 1 0 轴重 1 6 t l l轮径8 4 0 ，7 7 0 m m 1 2构架型式h 型钢板焊接 1 3轴箱定何方式人字形橡胶弹簧 1 4动车一系弹簧垂向刚度a w o a w 3 1 2 5 1 4 5 ( k n m m ) 1 5动车一系弹簧横向刚度a w o a w 3 5 6 0 7 1 0 ( k n ，m m ) 1 6动车一系弹簧纵向刚度a w o a w 3 8 6 0 1 3 5 0 ( k n ，m m ) 1 7 。 电机悬挂方式架悬式 1 8基础制动型式单侧单元式 1 9牵引电机功率 2 x 2 0 7 k w 2 0转向架自重( 动力，非动力) 7 4 6 0 4 7 6 0 k g 构架是转向架的基础，通过它把轮对轴箱、弹簧减振系统、 基础制动、牵引电机和齿轮箱等零部件组合成一个整体。构架 的主要作用是把车体经空气弹簧传来的垂向载荷传递给轮对， 通过心盘和中心销使车体与转向架彼此可以相对转动，便于车 辆通过曲线。 上海地铁转向架构架是由s t 5 2 钢板压制成型后，经焊接而成h 第1 0 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 型结构，如图1 2 。构架有两根横梁和两根侧梁，其侧梁和横梁 为全封闭的箱形结构，并在主要受力部位进行了适当的补强处 理。构架两侧梁的两端的轮拱为轴箱的导框，用以安装人字形 橡胶弹簧，在轮拱的下端有安装轴箱拉杆的安装座，侧梁的中 部为空气弹簧安装座。构架的两根横梁的中部内侧设有心盘横 向橡胶止挡座，外侧设有牵引电机安装座，下方设有牵引拉杆 安装座。拖车转向架和动车转向架的构架的结构完全相同，可 以互换使用。 图1 2 上海地铁1 号线车辆转向架构架 动车转向架上装有二台功率为2 0 7 k w 的牵引电机，采用全 弹性构架悬挂。1 号线车辆的牵引电机有d c 和a c 电机二种形 式，d c 电机的重量约是a c 电机重量的2 倍。 该转向架在亚洲得到了广泛应用，除上海地铁1 号线、2 号 线和广州1 号线使用外，香港和新加坡地铁也使用该型转向架。 第l l 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 截止到目前，构架裂纹情况统计如下： 1 9 9 4 年4 月，直流车第一次发现构架产生裂纹( 1 0 2 带车) ， 且为最短运营公里数2 6 ，9 0 0 公里。据统计分析直流车一般在运 行4 0 5 0 万公里后，构架陆续出现裂纹，且呈急剧上升趋势。 直流车构架共有4 6 个5 0 次裂纹出现，其中3 8 次为电机吊座裂 纹，1 1 次为牵引拉杆座裂纹，1 次为齿轮箱吊座裂纹。 2 0 0 1 年1 0 月，交流车第一次发现构架裂纹( 1 1 7 撑车) ，发 现构架裂纹的最短运营公里数为1 9 9 ，1 5 0 公里( 1 1 8 带车) 。据统 计分析交流车一般在运行3 0 万公里后，构架陆续产生裂纹。交 流车构架共有1 8 次裂纹出现，其中1 2 次为电机吊座裂纹，5 次 为牵引拉杆座裂纹，1 次为齿轮箱吊座裂纹。 据了解，使用同一车型的广州地铁总公司的车辆转向架构架 到目前也发生了大约6 0 次左右的类似裂纹故障。 1 2 2 构架的使用寿命 根据上海地铁项目的技术规格书的要求，列车转向架构架的 使用寿命至少为3 0 年或运营3 7 5 万公里，期间无需加固或整修， 但目前只使用5 年左右就在相同部位发现如此多的裂纹，这绝非 偶然现象。 1 3 本论文研究的主要内容及工程意义 本论文研究的主要内容是针对上海地铁1 号线d c 0 1 、a c 0 1 型电动列车转向架构架的裂纹情况，对构架结构的原始设计强度 和线路试验结论进行分析研究，找出转向架构架裂纹的原因；对 德方的补强方案进行有限元计算和评定，并对补强构架进行强度 试验研究。具体内容如下： ( 1 ) 对构架产生裂纹部位的结构设计强度进行分析； ( 2 ) 通过分析线路实测应力的数据，搞清楚裂纹产生的根 第1 3 页共7 4 页 北京变通大学工程硕士论文 第二章上海地铁车辆转向架构架裂纹的研究 影响零件疲劳寿命的因素很多，归纳起来有材料、零件结构、 制造工艺和工作条什等方面的原因。工作条件方向的凼素有载荷 特性、环境介质、使用温度有关。有些因素是固定的，有些因素 可以通过整改进行优化和加强。 上海地铁转i 自架构架裂纹部位非常相似且非常集中，大部分 裂纹产生在牵引电机吊座、牵引拉杆座和齿轮箱吊座处。导致裂 纹的原因很多，如设计计算规范、试验规范与实际工况之间有差 别，结构设讣与系统参数优化不全面，生产工艺不合理制造质量 控制不严，工作条件恶劣，使用维护不当等原因，当然还可能有 材料屈服强度不够方面的原因。 本章主要从影响裂纹的主要方面着手，对构架的结构设计强 度、载荷j 况进行分析，找出其产生裂纹的原冈。 2 1 上海地铁车辆转向架构架的设计结构强度分析 2 1 1 构架的设计计算载衙 转向架构架是地铁车辆最关键的部件之一，由于其受 x 北京交通大学工程硕士论文 图2 2 运用静载荷齿轮箱吊座最大应力 ( 2 ) 超常载荷工况 根据表2 1 施加构架超常载荷，电机吊座和齿轮箱吊座处的 最大应力与产生裂纹部位向吻合，但是均未超过超常载荷的许用 应力3 5 5m p a 。 ( 3 ) 疲劳载荷工况 根据表2 1 的构架疲劳载荷，根据载荷的方向不同，可以组 成多种不同的载荷组合工况，见表2 2 ： 表2 2 计算疲劳载荷工况组合( k n ) 1 二 f z lf z 2f z 3f z 4 f y l f x l 况或f y 2 或f x 2 f z 5f z 6 1 3 6 8 1 6 9 8- 2 3 2 34 4 74 4 8 2 2 12 2 1 23 6 81 6 9 80 50 54 4 74 4 82 2 12 2 1 33 6 81 6 9 8- 2 32 34 4 7 4 4 8 2 2 12 2 1 43 6 81 6 9 - 80 50 54 4 74 4 82 2 12 2 1 5- 1 6 9 83 6 82 32 34 4 74 4 82 2 12 2 1 6 1 6 9 83 6 8 0 5o 54 4 74 4 82 2 1 2 2 1 7一1 6 9 83 6 _ 82 3 2 34 4 74 4 8 2 2 12 2 1 81 6 9 83 6 _ 8一o 5o 54 4 74 4 82 2 12 2 1 第1 8 页共7 4 页 北京交通大学工程硕上论文 根据上述计算工况分别对构架施加疲劳载荷，针对构架产生 裂纹部位的应力较大区进行采样点分析，分别计算各采样点的平 均应力值和应力幅，最后采用g o o d m a n 曲线进行疲劳强度评定。 计算结果显示，所有采样点的应力幅在许用应力幅之内，所以在该设计载荷工况下构架的疲劳强度满足要求。 2 2 上海地铁车辆转向架构架线路应力实测的研究 2 2 1 构架线路应力实测的目的 为了找出构涨搿心厂噼港埋睡i 耍型晓鋈氰离劐孺瀚强冲碴 堪添遴蠕凼避尊；昝埋备笛鄹鳝郏班弦敷嘲刃韩襄瓤酸默骅聪耍 篡盟鄯n t i 掌礓匿酵i 苓二啊速渡霸蛐翻戮唾蜒l 卜_ 鼻i l l i l 霎装 h 列冀唯妫驼鸳。型张囊一浮盛芝溢漯嚆砖吣涤揩醚幂翔攀_ j 啡 鼗载亨剽官”型蒌掣 封1 0 嚣 弘| 些i 曼璺委i j 蠹；if 蠹冀墅霎蠹d 羹蠢羹r a n 和 c o s m o s m 等) 的功 能越来越强大，出现了计算机辅助工程分析这一新兴学科c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 。 采用c a e 技术，即使在进行复 杂的工程分析时也无须作很多简化，并且计算速度快、精度高 。 常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩和强度等的计算 分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品 的应力、变形等的结构分析。当今国际上f e m 方法和软件发展 呈现出以下一些趋势特征： ( 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题 有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推 广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非 常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离 散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所 以近年来有限元方法己发展到流体 北京交通大学工程硕士论文 粘贴加速度传感器和应力片，如图2 4 ： ( 1 ) 电机重心垂向加速度( g ) ； ( 2 ) 电机重心横向加速度( g ) ； ( 3 ) 电机重心纵向加速度( g ) ； ( 4 ) 齿轮箱吊杆力( k n ) ； ( 5 ) 牵引拉杆力( k n ) 。 鏊l 蘩熏蒸冀亵鬻藜黼 4 戮卟陲、蒸j 熏i 爹爹矧谶y 隧鬻鬻黪蒸蘩j 鬟 豢：i - ? 夔鎏鎏鋈鏊錾! 鬯攀鬓饕溯黧 j j 鏊枣鬻囊；越蒌鋈鬻蒸蒸瀚重鲎篇鲨望鲎 第2 0 页共7 4 页 北京交通大学工程硕十论文 如图2 4 加速度传感器和应力片的布置 2 2 3 测试仪器和设备 在线测试系统所需要的试验设备和试验仪器如下所述，并见 图2 5 ： 士1 0 9 加速度传感器 士5 9 加速度传感器 应变片1 盒 动态应变仪 a d 转换器 n i 专用接口卡 计算机 第2 l 页共7 4 页 圆 一 圆 挚 鳓 北京交通大学工程硕士论文 2 3 上海地铁车辆转向架构架裂纹的原因 综合分析构架设计计算强度的结果和构架在线测量试验的 研究，上海地铁车辆转向架构架产生裂纹的主要原因如下： (1)在线测量所知，构架的设计计算载荷太小是导致局部产生疲劳裂纹的主要原因。 (2)构架设计计算所考虑的载荷数量不合理，忽略了电机 在未罂琨娶鼎光兽裙等2 曩覆帮蟹；磐莲喜萎觎串藿骶些雾髦羹 髫；l 羹襄鐾； g | ；囊嚣塑囊繇l j 藜；鋈塑萋藻些馨萎蚕蓠誊撼臻搂蒌卒 尝臣掣，蟛酲k 蝉醚鬻翮蜘蜊鸶，搬峨掣吧捌懋。 ；墓善墅 曼刿卷刚种杌如躯隔是哺车薹鲻蓊夸希串朝井蠢为予辅素 囊蹭滚；握品蓬懈哺增溪镥铝菊醚酢瀚判赫j 簖豺墼蠢缴掣蚩 剑未圳辨鸶磊咎孛畜妻套擎j 妓0 振到艘受扳鞣懿醋醋哥耋距j 型黼龇豁# 謦氧善蓑熹瓣掣菇彩氧斋剥五融麓萼注凄带i 与 数值法两大类，解析法因数学工具不尽完善而只能 求解少量简单问题，故主要是应用计算机进行数值解法。其中数 值解法应用较多的是有限差分法( f d m ： f i n i t ed i f f e r e n c e 北京交通大学工程硕士论文 第三章补强构架的有限元分析 3 1 有限元分析方法( f i n i t ee i e m e n tm e t h o d ) 3 1 1 有限元技术的发展 长期以来，机械设备的分析与计算一直沿用材料力学、理论 力学和弹性力学所提供的公式来进行。由于有许多的简化条件， 因而计算精度很低。为了保证设备的安全可靠运行，常采用加大 安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造 成结构性能的降低。现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成 本、节省资源、高性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无 法满足要求。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域 ( 弹塑性力学、断裂力学和流体力学) 中不断得到深入应用，是 机械产品动、静特性分析的重要手段；各种有限元分析程序包 ( i d e a s 、a n s y s 、u g i i 、n a s t r a n 和c o s m o s m 等) 的功 能越来越强大，出现了计算机辅助工程分析这一新兴学科c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 。采用c a e 技术，即使在进行复 杂的工程分析时也无须作很多简化，并且计算速度快、精度高。 常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩和强度等的计算 分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品 的应力、变形等的结构分析。当今国际上f e m 方法和软件发展 呈现出以下一些趋势特征： ( 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题 有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推 广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非 常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离 散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所 以近年来有限元方法己发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、 第2 5 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科 的问题。 ( 2 ) 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论己经远远不能满足设计的要 求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求 考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程 的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题； 诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算 理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能 解决。 ( 3 ) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解 方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计 算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越 来越少，而数据准备和运算结果的显示问题却日益突出。在现在 的工程工作站上，求解一个包含1 0 万个方程的有限元模型只需 要用几十分钟。但是如果用手工方式来建立这个模型，然后再处 理大量的计算结果则需用几周的时问。可以毫不夸张的说，工程 师在分析计算一个工程问题时有8 0 以上的精力都花在数据准 备和结果分析上。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都 有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调“可视化” 的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的g u i( g r a p h i c s u s e ri n t e r f a c e ) ，使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格 自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结 果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列 表输出。 ( 4 ) 与c a d 软件的无缝集成 当今有限元分析系统的另一个特点是与通用c a d 软件的集 第2 6 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 后，再对整个物体进行力学分析，简称整体分析找出整个物体 所有结点的结点载荷与结点位移的关系。这些关系式构成一个线 性方程组。引入边界条件后，求解这个线性方程组，就可以得出 基本未知量的解。根据所得到的解，求出各个单元的应变和应力。 在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对象的不 同，采用的单元类型也不同，常见的单元类型如图3 1 所示： ( 1 ) 杆、梁单元，这是最简单的一维单元，单元内任意点 的变形和应力由沿轴线的坐标确定。 ( 2 ) 板单元，这类单元内任意点的变形和应力由x y 两个 坐标确定，这是应用最广泛的基本单元，有三角形板单元和矩形 板单元。 ( 3 ) 多面体单元，它可分为四面体单元和六面体单元。 ( 4 ) 薄壳单元，这是由曲面组成的壳单元。 在选择单元的形状、尺寸、数量和排列时必须谨慎，以便尽 可能精确的模拟原物体或区域。 杆单元三角形平面单元四面体体单元 ! ，? 一r 奠， t = = ；= ：一 平面粱单元 矩形平面单元长方体体单元 图3 一l 常见的单元类型 第2 8 负共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 可以根据分析结果误差修改网格密度。载荷和边界条件的定义与 几何相联系，其后处理可以显示等应力线、等变形线、矢量图、 变形图、彩色云图、结果分类和组合等。 i d e a s 软件的有限元仿真( s i m u l a t i o n ) 模块进行线性静力 工程分析的流程如图3 - 4 所示： i 堡篓一j 图3 4 线性静力分析流程图 3 2 构架补强方案的介绍 根据上一章对上海地铁车辆转向架构架有限元分析和在线 试验测试的结果，构架产生裂纹的主要原因为构架的设计结构强 度不足所造成的，德国s g p 转向架供货商对上海地铁车辆同类 构架的产生裂纹的部位采取了补强整改措旌，方案见图3 5 。 第3 1 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 3 3 补强构架有限元模型的建立 3 3 1 构架实体建模 应用i d e a s 软件进行有限元计算，先要对研究实体进行建 模。为获得零部件在各工况下较真实的应力及变形，如实地反映 零部件实际结构的重要力学特性，在进行三维实体建模时，则按 照零部件原设计结构采用整体结构建立计算模型。但是在实际制 造过程中，有很多工艺尺寸，若考虑在内是很困难的，也是不实 际的。在建模时应结合实际需要，进行简化建模。 补强构架的实体模型力求反映主要承载结构，以真实再现其 实际的受力状态为原则，以齿轮箱吊座和电机吊座为重点，依据 构架的技术设计图纸建立实体模型。经验表明，构架实体模型建 立过程中可以对非承载结构进行简化处理，计算精度能够得到保 证。 3 3 2 边界条件的旌加 正确的边界条件对任何有限元分析都是至关重要的。在 1 一d e a s 软件中进行有限元分析时，可以在模型上施加的边界条 件包括位移约束、自由度耦合、温度、机械载荷以及两个表面之 间的接触等。不同分析类型采用的边界条件类型也不尽相同，非 线性分析的边界条件可以是随时间变化的，而线性分析的边界条 件则不能依赖于时间变化。当指定分析的类型后，软件将自动限 定适当的边界条件类型。根据本课题的研究内容，选择分析类型 为线性静力学分析( l i n e a rs t a t i c ) 。 边界条件可以施加到模型的几何实体或有限元实体上。对于 基于几何实体建立的有限元模型，边界条件可以施加在几何实体 的边、表面、顶点、中心点、参考点以及边和面的位置点等，而 对于基于截面建立的网格模型，边界条件可以施加在线框曲线和 截面上。生成了有限元模型后，基于几何的边界条件可以施加到 第3 3 页共7 4 页 北京交通大学丁程硕士论文 3 3 3 网格的划分 弹性力学基础上的有限元计算模型就是由若干个单元组成 的连续体替代结构。体现在软件上，就是网格化的替代结构，网 格越细小，单元的组合就越接近真实物体，计算就越精确。但网 格一旦划分的过小，很容易增大计算量。如果单元划分过大，局 部单元可能出现畸形，会导致计算失真，严重时可中止计算。网 格划分好后，可以显示划分结果，如果有必要修改，系统能够提 供修改功能，并能对修改后的网格划分的有效性进行检查。 网格划分时，要定义单元的材料，所以要预先知道材料的特 性。上海地铁车辆转向架构架的材料为d i ns t 5 2 结构钢，机械 性能数据见表3 4 ： 表3 4d i ns t 5 2 钢的机械性能 l 口s ( m p a )。6 ( m p a )e ( m p a ) f j 口( k g m 3 ) 3 5 55 1 02 1 x 1 0 50 2 97 8x 1 0 上海地铁车辆转向架构架为h 型焊接结构，属于薄壁部件， 壳体曲面由不同曲率的曲面拟合而成。侧架和齿轮箱吊座、电机 吊座的厚度差异较大，它们对网格的大小和单元类型要求不一 样，适合这个曲面的网格放到另一个面上可能会过大而产生畸 形，若统一使用小网格则计算量增大，计算机资源也耗费太大。 所以，网格划分由自动控制和人工控制相结合，采用映射网格和 自由网格两种方式。选取构架整体作为分析模型，对大部分钢板 采用板单元进行离散，对电机吊座和齿轮箱吊座采用三维实体单 元进行离散。整个构架模型包含结点4 2 6 5 3 个，板单元2 9 7 4 2 个， 实体单元3 8 4 1 个，如图3 7 所示： 第3 5 页共7 4 页 北京交通大学工程硕上论文 f z l 图3 8构架载荷示意图 3 4 2 基本计算参数 按照u i c 6 1 5 4 和上海地铁1 号线和2 号线的技术规格书 构架基本计算参数如下： n b 一每车转向架数 n 。一每转向架轮对数 m + 转向架总重： 上海1 号线 上海2 号线， m ，空车车辆总重( a w 0 ) 上海1 号线 上海2 号线 c 1 超载旅客重( a w 3 ) ： n b = 2 n e = 2 m + = 7 4 6 0 k g m + = 6 3 4 2 k g m ，= 4 0 0 0 0 k g m ，= 3 7 4 0 0 k g c 1 = 4 1 0 4 6 1 = 2 5 0 1 0 k g 第3 7 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 c 2 平均载客重： m 。，一牵引电机重 上海1 号线 上海2 号线 g = 9 8 1 m s 2 3 4 3 载荷的计算 c 2 = 2 c 1 3 6 = 1 3 8 9 4 k g ( 2 2 8 人) m 。l = 1 1 4 6 k g m m o l = 5 7 5 k g 3 4 3 1 运用静载荷和疲劳载荷 按照u i c 6 1 5 4 和上海地铁1 号线和2 号线的技术规格书， 构架所受载荷如下： ( 1 ) 垂向载荷( f ：1 、f ：2 ) ： 按u i c 6 1 5 4 ，考虑车体和载客的重量( a w 3 ) ，作用于转向 架空气簧的垂向载荷f ：1 、f ：2 ： f z = g ( m ，+ c 1 一n bm + ) 2n b = 1 2 3 k n ( 3 1 ) f ：1 m a 。= ( 1 + 0 【+ p ) f ：， f ：l m a ；= 16 6 k n ( 3 2 ) f z 2 m i n = ( 1 一a p ) f ：， f z l m 。x = 8 0 k n ( 3 - 3 ) 其中：a = o 1 5 ，侧滚系数 b = o 2 ，浮沉系数 由于上海1 号线技术规格书规定的f ：l 。= 1 7 0 k n 及上海2 号线技术规格书规定的f ：1 。；= 1 6 6 k n ，所以f ：1 取最大值 1 7 0 k n 。 ( 2 ) 横向载荷( f ，。，；) ： 按u i c 6 1 5 - 4 ，f y m 。= 0 5 ( f ：2 + 0 5m + g ) = 8 0 k n ( 3 4 ) ( 3 ) 线路不平顺扭曲载荷( p k ) ： 按u i c 6 1 5 4 ，线路不平顺系数为5 1 0 0 0 ，因转向架定距为 2 5 0 0 m m ，故扭曲载荷相当于一个车轮抬高 2 5 0 0 x 5 1 0 0 0 = 1 2 5 m m 。这相当于对角两个车轮抬高，另外对角两 个车轮降低，即抬高( 降低) 量h = 1 2 5 4 = 3 1 2 5 m m 。 第3 8 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 因为一系垂向刚度为1 3 5 0 n m m ，所以 扭曲载荷p k = 3 1 2 5 x 1 3 5 0 = 4 k n ( 3 - 5 ) ( 4 ) 纵向载荷( f ，) ： 按u i c 6 1 5 - 4 ，f x = o 1 ( f ：2 + m + g 2 ) = 1 6 k n ( 3 6 ) 由于f ；远远小于西门子和同济大学的试验结果，因此采 用在线试验的试验平均最大值，即 f ；= 2 9k n ( 5 ) 牵引电机的惯性力( f 。、f 。0 i v 、f 。叭z ) ： 牵引电机的惯性力是由电机振动加速度所产生，所以首先应 分析电机振动加速度( a ；、a v 、a 。) 的情况。由于u i c 6 1 5 4 没有 规定电机吊座所应承受的载荷，上海地铁1 号线和2 号线的技术 规格书所要求的载荷不全面，所以只好参照在线试验、其它项目 或其它标准的规定来取值。 按照上海地铁4 号线西门子技术规格书的要求，电机振动加 速度取值为： a ；= 3 9 9 ，a y = 2 7 9 ，a z = ( 一1 3 3 9 ) 按照西门子和同济大学最不利试验结果，参考日本j l s 标 准、美国纽约地铁标准，电机振动加速度取值为： a ，= 4 9 ，a y = 3 9 ，a ：= ( - l 4 9 ) ， 所以 根据牛顿第一定律f = a m ( 3 7 ) 取上海l 号线的直流牵引电机总量m 。t _ 1 1 4 6 k g ，得出牵引电机 的惯性力f 皿o t ；= 4 5 k n ，f 皿。t ，= 3 3 k n ，f m 。l ：= 5 6 k n = + 3 4 k n ( 6 ) 齿轮箱吊座垂向载荷( f 。) ： 由于u i c 6 1 5 4 没有规定，现取西门子及同济大学最不利试 验结果的试验平均最大值： f g = 3 8 k n 3 4 3 2 超常静载荷 按u i c 6 1 5 4 和上海地铁1 号线和2 号线的技术规格书，构 第3 9 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 架所受载荷如下： ( 1 ) 垂向载荷( f ：l 、f ：2 ) ： 按u i c 6 1 5 4 ， f zj = f ：2 = 1 4 9 ( m 。+ c i - n bm + ) 2n b = 1 7 2 k n ( 3 8 ) ( 2 ) 横向载荷( f ，。；) ： 按u i c 6 1 5 4 ， f y m a x = 2 【l 0 0 0 0 + ( m 。+ c 1 ) g 】3 n b n c = 1 0 8 k n ( 3 9 ) ( 3 ) 斜对称扭曲载荷( p k ) ： 按u i c 6 1 5 4 ，相当于一个轮子失载，a w o 状态下车体重m 。 = 4 0 0 0 0 k g ，一个轮子的载荷为m ，8 = 5 0 0 0 k g ；当一个轮子失载 时对角的轮子必失载，另一对角的两个轮子的载荷应为 5 0 0 0 x 2 = 1 0 0 0 0 k g ，此时 斜对称扭曲载荷p k = 1 0 0 0 0 2 g = 4 9 k n( 3 1 0 ) ( 4 ) 纵向载荷( f ，) ： 由于u i c 6 1 5 4 没有规定，按上海地铁4 号线的技术规格书 f ；。a x = 3 9 m + = 2 2 0 k n( 3 1 1 ) ( 5 ) 牵引电机惯性力( f 。、f 。v 、f 。) ： 由于u i c 6 1 5 4 没有规定，按上海地铁4 号线的技术规格书 ，a x = 4 3 9 ，a y = 3 9 ，a z = ( 一l 3 5 9 ) 取上海1 号线的直流牵引电机总量m 。l _ 1 1 4 6 k g ，得出牵引 电机的惯性力 f m o t x = 4 7 k n ， f m o t v = 3 4 k n ，f m o t z = 51 k n = + 2 8 k n ( 6 ) 齿轮箱吊座垂向载荷( f 。) ： 由于u i c 6 1 5 - 4 没有规定，现取西门子及同济大学最不利试 验结果的试验平均最大值： f g = 3 8 k n 3 4 4 载荷工况的确定 按照构架的载荷组合条件可以确定载荷工况。不同的载荷方 第4 0 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 向或载荷大小组合成多种不同的载荷工况，对每一种载荷工况施 加于构架上进行计算。综合分析构架在各种不同载荷工况下的力 学特性，按照u l c 6 1 5 ，4 标准的规定，构架可按以下1 7 种载荷工 况进行计算，见表3 1 。表中第1 1 6 种载荷工况，表示构架所 承受的载荷为运用静载荷和疲劳载荷；表中第1 7 种载荷工况， 表示构架所承受的载荷为超常静载荷；表中第1 8 种载荷工况， 表示构架所承受的载荷为上海1 号线原始设计的运用静载荷和 疲劳载荷，在本文中仅作为比较和参考。 第4 1 页共7 4 页 北京交通大学工程硕士论文 表3 1载荷工况列表 载 空气簧座 横向载荷 电机重心的 齿轮箱牵引拉扭曲 荷 的垂向载 ( k n ) 惯性力 吊座垂杆座纵 载荷 工 荷( k n )( k n ) 向载荷向载荷r k n 况( k n ) ( k n ) l f yf y f m o tf m o tf m o t f z lf z 2 f gf g f xf xp k m a xm a xz y x 11 7 08 08 005 63 34 53 83 82 92 94 21 7 08 08 0 05 63 34 5 3 8- 3 82 92 9 4 317 08 08 005 6 3 34 53 8 3 82 92 94 417 08 08 0o5 63 34 53 83 82 92 94 5一1 7 08 08 0 o3 43 34 53 8 3 82 92 9 4 61 7 08 08 0 03 43 34 538 3 82 92 9 d 71 7 0一8 08 003 43 34 53 83 82 92 9 4 81 7 08 08