（光学工程专业论文）高速转向架构架特殊工况下疲劳强度分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 铁道车辆在实际运行过程中，随着速度的不断提高，载重量的不断增加，列车内 部各零部件的运行条件不断恶化，各部件的安全性能越来越受到重视，对于列车的重 要部件转向架构架，它的疲劳强度问题在列车运行过程中起着至关重要的作用，随着 各种特殊加载方式的产生，其对构架的疲劳影响也在不断变化，所以研究各种失效工 况下的构架疲劳强度势在必行。 通过查阅各类相关资料，了解了国内外对于列车运行的动态仿真的主要方法以及 载荷谱产生的主要途径，在这些理论知识的指导下，以高速车转向架为研究对象，通 过秦沈线和胶济线轨道谱的激励，进行动态仿真，得到各种失效工况以及不同的刚度 悬挂方式下的载荷谱，为疲劳评估的研究工作奠定了基础。 在国内外疲劳损伤研究的各类方法的引导下，先对构架进行有限元分析，求出应 力，再将有限元分析结果导入到疲劳评估软件n s o f f 中后，对材料进行定义s n 曲线， 选取损伤分析的各类参数，选择正确的评估计算方法，施加由动力学计算得到的载荷 时间历程，载荷时间历程在n s o f t 里经过雨流计数对载荷均值和幅值进行统计，从而可 以计算得到构架损伤结果和寿命结果。 关键词：转向架构架、载荷谱、有限元分析、损伤、疲劳寿命 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 | 页 a b s t r a c t a st h es p e e da n dl o a d sg oi n c r e a s i n g l yu p ，r a i l w a yv e h i c l e si na c t u a lo p e r a t i o nw i l lr u n i nas t a t et h a tt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no fi n t e r i o rp a r t sg e t sw o r s ea n dw o r s e t h es a f e t y p e r f o r m a n c eo ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t si sn o wa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a n i m p o r t a n tc o m p o n e n tf o r t h et r a i ni st h eb o g i ef r a m e ，w h o s ef a t i g u es t r e n g t hp l a y sav i t a l r o l ei nt h e p r o c e s so f t r a i n o p e r a t i o n w i t ht h en e w g e n e r a t i o no fav a r i e t y o fs p e c i a ll o a d s ，t h e i m p a c t o nf a t i g u ee f f e c to ft h e b o g i e f r a m e s k e e p s c h a n g i n g ，s ot h es t u d yo f t h ef a t i g u es t r e n g t hi nv a r i o u sf a i l u r ec o n d i t i o n si si m p e r a t i v e w i t ha na c c e s st oa l lk i n d so fr e l e v a n ti n f o r m a t i o n ，i v eo b t a i n e da th o m ea n da b r o a da f u l lu n d e r s t a n d i n go ft h em a i nm e t h o d so fd y n a m i cs i m u l a t i o na n dm a jo rw a y so ft h el o a d s p e c t r u mf o rt r a i no p e r a t i o n u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h e o r e t i c a lk n o w l e d g e ，t a r g e t i n g h i g h s p e e dc a rb o g i ea n di n s p i r e db yq i n s h e nl i n ea n dj i a o - j it r a c ks p e c t r u m w el a u n c ha d y n a m i cs i m u l a t i o nt oa c q u i r eav a r i e t yo ff a i l u r ec a s e su n d e r t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa sw e l l a st h el o a ds p e c t r u mi nd i f f e r e n tw a y so fs t i f f n e s ss u s p e n s i o n ，o nw h i c ht h es t u d yo ff a t i g u e a s s e s s m e n ti sb a s e d u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h ev a r i o u sm e t h o d so ff a t i g u ed a m a g ea th o m ea n da b r o a d ，t h e f r a m e w o r ki sf i r s tt ob ee x e c u t e df o ra nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ow o r ko u tt h eg r a v i t y p a r a m e t e r s ，a n dt h e nw ei m p o r t t h er e s u l tt ot h ef a t i g u ea s s e s s m e n ts o f t w a r en s o f lt o d e f i n e ds nc u r v e a n dt h e ns e l e c tv a r i o u sp a r a m e t e r so fi n j u r ya n a l y s i s ，a d o p tt h ec o r r e c t a s s e s s m e n to fc a l c u l a t i o nm e t h o d sa n di m p o s et h el o a dt i m eh i s t o r i e sc a l c u l a t e db yt h e d y n a m i c s ，w h e r et h el o a dt i m eh i s t o r yi nn s o f ta f t e rr a i n f l o wc o u n t i n gs t a t i s t i c si sc a r r i e d o u tf o ral o a da v e r a g ea n da m p l i t u d e ，t h r o u g hw h i c ht h ei n j u r yr e s u l t sa n dr e s u l t so fl i f e e x p e c t a n c yo f t h ef r a m e w o r kc a l lb et u r n e do u t k e yw o r d s ：b o g i ef r a m e ；l o a ds p e c t r u m ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；d a m a g e ；f a t i g u e l i f e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 本文的研究背景 第1 章绪论 近二十年来，铁路进行了多次大提速，高速列车的发展也突飞猛进，列车的行驶 速度不断提高，目前我国铁路最高运营速度高达3 5 0 k m h ，比原来快了将近三倍。世界 各国的列车试验速度纪录也被不断刷新，法国的高速列车的最高试验速度高达 5 7 4 8 k m h ，国内科研人员在引进国外的技术同时，不断吸收改进，使得c r h 3 8 0 b l 型 高速动车组的运营试验速度提高到4 8 7 3k m h 。 高速，重载的发展，使得列车在运行过程中行驶条件不断恶化，对零部件的要求 也越来越高，集中体现在列车的可靠性和安全性指标上。列车行驶过程中，转向架是 机车车辆的主要部件，转向架的构架，一般是由左右两根侧梁、以及一根或几根横梁 组成。转向架各起着传递各方向力的重要作用，转向架主要部件构架，是整个转向架 的承载部件，它的设计是否合理，强度是否达标直接影响着整个列车的运行平稳性和 可靠性。铁道线路上很多起事故都和转向架构架的疲劳强度有着直接的关系，速度的 提升使得构架在列车运行过程中承受的交变载荷不断加大，作用次数不断增多，损伤 累计到一定限度发生疲劳破坏，引起事故的发生。因此如何用更准确的理论分析方法 和试验方法对焊接构架的疲劳强度或寿命进行预测和评估，是目前铁道车辆转向架构 架疲劳强度研究的重点。 近年来，国内外在构架的疲劳强度研究和疲劳寿命预测上做了大量的工作，例如 运用多体动力学仿真软件结合有限元分析方法进行疲劳寿命预测。但大量的分析计算 和试验研究都是基于相关标准基础上开展，其主要考虑的是正常运行的工况。事实上， 对构架等转向架主要部件的疲劳损伤主要还是出现在转向架各类故障时，构架承受了 较运行条件或标准要求大得多的载荷。 本文开展转向架系统失效链研究，分析各类故障对构架强度的影响。通过仿真研 究局部线路恶化，车轮踏面擦伤和不圆，车辆系统蛇形失稳，主要悬挂元件失效等故 障条件下，对动车组动态响应的影响和对构架作用载荷的影响，分析对构架的损伤。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 n 建立各类故障特殊工况各因素对构架作用载荷的影响程度的关系。 1 2 本文的研究意义 疲劳是指不同材料在各种交变载荷的作用下应力值没有超过材料的强度极限，结 构或构件形成裂纹和裂纹的扩展，并最终导致结构的损伤破坏的现象。 疲劳是机械结构失效的最主要的原因，随着现代工业的发展，疲劳问题的出现也 越来越多，在铁道车辆和零部件设计中，反应产品优劣的重要标志就是疲劳强度的好 坏。产品设计过程中，为了满足强度的要求，必须加厚加硬，但是又必须达到轻量化 的要求，如何解决这个看似矛盾的问题，成了当今研究疲劳可靠性的重点。 转向架的设计指标要求其寿命大约为二十至三十年，对转向架构架强度计算方法 主要是有限元分析，完成强度计算后，进行仿真模拟评估它的疲劳寿命是当前的主流 方法。本文主要的研究对象就是高速动车组构架，通过在正常运行和一系列失效工况 下对构架的疲劳寿命影响的评估，改进设计，使其达到要求。 1 3 失效工况下特殊加载疲劳强度研究现状 上个世纪末开始，世界各国逐渐展开整个铁道车辆系统的疲劳强度研究。近几十 年来，世界范围内的高铁发展，疲劳强度问题显得愈加重要，对于铁道车辆上的主要 部件，转向架构架的疲劳寿命评估，也是近年来研究的重点。各国的学者在这项研究 上都作出了巨大贡献，下面逐一介绍。 国外研究现状 学者b l g a b b i t a s 等人【l 3 】对地铁车辆的转向架构架疲劳强度进行了计算，他们的 主要方法是通过动态仿真得到实际加载载荷谱，然后分析构架，选取应力影响的主要 部位进行模拟计算，最终在疲劳损伤理论的基础上进行构架疲劳评估。学者d e l f s a c h a u 等人【4 j 在研究构架的外部载荷时，运用多体动力学理论，将平时独立研究的时域变化影 响和频域变化影响结合在一起，最终得到动态变化的载荷谱。节约了大量的分析时间， 最后对构架进行疲劳评估。这种方法的一般步骤是在动力学仿真基础上，通过有限元 分析算得各部位的应力大小，最后进行统计编辑，运用疲劳损伤理论对构架进行疲劳 评估。学者n a m p ok i m 等人 5 在多体动力学理论的基础上，进行动态仿真，在运用有 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 限元分析方法，最终评估某列车转向架构架的疲劳寿命。学者m i k ab a c k s t r o m 等人 6 】 运用提出一种新的分析方法，他们将各种应力进行重新编辑和分析，评估了焊接节点 处的疲劳寿命。 从以上方法可以看出，现今国外评估各种载荷作用下构架的疲劳寿命的主要步骤 是：先是进行动态仿真得到加载载荷谱，在进行有限元分析进行强度分析，最后运用 疲劳损伤理论评估结构的寿命。 国内研究现状 由于国内工业水平的限制，所以使得对于铁道车辆结构部件的疲劳问题研究相对 滞后，与国外相比有较大差距。国内现今的疲劳方面的研究，主要方法是采用无限寿 命的设计手段，对构架的疲劳寿命的评估主要是先计算出运行过程中的安全系数或者 安全裕量，将这两项指标与相关准则中的许用安全系数和许用安全裕量相比较，在进 行疲劳评估。但是，国内的铁路高速法阵，众多高铁线路的建成通车，使得这些传统 评估方法已经远不能达到要求，所以就需要提出更加先进的疲劳评估方法。学者邬平 波等人r 7 】先将列车运行进行动态仿真，仿真输出转向架构架在沈大线轨道激励作用下形 成的载荷谱，再进行有限元分析，最后在损伤一致性理论的指导下评估不同可靠度下 的疲劳寿命。学者阳光武 8 1 研究对象也为转向架构架，将频域分析和时域分析相结合， 对可靠性做了研究分析。学者缪炳荣【9 等人以列车车体为研究对象，考虑不同的弹性要 求和刚性要求下模型的建立，再利用有限元分析方法计算得到应力大小，最后根据损 伤一致性理论评估车体的疲劳寿命。学者梁红琴【1 0 】在研究车轴的疲劳强度时，运用动 态仿真和有限元分析结合的方法算得车轴的应力变化。学者缪龙秀等人 1 1 以客车转向 架构架为研究对象，进行实地测试，得到载荷谱，再通过编辑统计评估构架的疲劳寿 命。学者王成国等人【1 2 1 在通过动态仿真和有限元分析评估了某高速车构架的疲劳寿命。 学者候卫星等人e 1 3 】通过现场测试得到相关部位的载荷谱，再运用准静态法评估了某构 架侧架的疲劳寿命。学者虞丽娟等人 1 4 运用动态仿真，最后估算出拉杆的疲劳寿命。 1 4 本文的主要工作 本论文以高速动车组构架为研究对象，研究其在各种特殊载荷，包括线路局部恶 化，车轮踏面擦伤和不圆，车辆系统蛇形失稳，主要悬挂元件失效等各种失效工况下 的疲劳影响，同时也对铁道线路激励下动力学仿真下各种载荷谱的形成进行了研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 具体工作如下： 1 、建立高速动车组动力学仿真模型。 2 、通过动力学仿真，模拟秦沈线，胶济线的运行，得到构架等主要部件在各种运 行条件下，各种不同故障工况下的载荷时间历程。 3 、基于构架载荷谱的仿真结果，论文对构架进行有限元分析，并将结果导入到疲 劳评估软件n s o f t 中，利用相应材料的s - n 曲线，选取损伤分析的各类参数，得到构 架在各种运行工况及故障失效工况下损伤评估结果。 4 、论文对转向架上的电机吊挂，其不同的刚度、不同阻尼对构架疲劳损伤的影响 进行了研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 n 第2 章有限元分析及疲劳强度评估 近些年来，随着各种不同分析手段的更新以及计算机技术的进步，使得强度分析 和疲劳评估的方法不断改善。本文采用计算机模拟的方法，利用动力学仿真得到的动 态随机载荷，导入有限元软件a n s y s 中来获得构架任意部位的动应力时间历程。 2 1 结构疲劳问题 本文是对转向架构架进行疲劳寿命评估，所以必须对金属材料的疲劳特性有一个 较深的认识。在工业生产过程中，金属材料几乎构成了大多数机械构件的主体部分， 在这些机械构件日常作业过程中，由于受到外部的不同载荷作用，产生了各种细微的 结构变化和疲劳损伤，疲劳损伤不断被累积，最终导致结构破坏或者断裂，这就是结 构强度问题。由于机械构件上所受的载荷具有多元性和随机性，金属材料上产生不同 的动态应力变化，产生损伤，这就是疲劳应力和结构构件的寿命之间的关系。工业发 展初期，人们在生产过程中忽略了这个问题，产生了严重的后果，随着工业水平的不 断发展，人们逐渐重视结构的疲劳损伤问题，追溯最初的研究方法，已有一百多年的 历史，人们在以往的工业生产中吸取经验和教训，不断加深对构件疲劳特性的认识和 疲劳试验的研究，逐渐形成了一套较为完善的疲劳评估理论和方法，先后制定了一些 准则。我国的工业发展要落后于一些发达国家，所以导致国内工业生产对于疲劳的认 识要晚了许多，但是近年来，国内的疲劳研究方面的发展迅速，逐渐向发达国家靠拢， 主要的研究领域是飞机结构的疲劳特性，军工业发展中的机械化构件的疲劳特性研究， 随着政府的不断重视，加大了这方面的研究投入，使得疲劳研在究取得了巨大的成就。 对于铁道车辆的疲劳问题，近年来也被相关的学者逐渐重视，转向架是列车运行 的重要部件，它的疲劳问题关联到列车的运行可靠性和安全性。国外学者极度关注此 项研究，特别是近年来高速列车的大力发展，使得转向架的疲劳问题显得越来越重要。 当前国际上，高速列车转向架方面的强度研究工作，较为权威的疲劳强度评估标准有 两个，日本新干线的开通，高速车技术的迅速发展，为疲劳强度的评估提供了一个良 好的平台。通过试验的研究，制定了“转向架构架设计标准”，此项标准对转向架构架 的强度，疲劳可靠性等做了相关评价并对构架设计提出了很多相关要求。欧洲铁路发 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 展较早，高速车发展也极为迅速，所以针对疲劳问题，制定了“铁道车辆转向架构架 设计通则”，以上这两个设计标准，都对我国的铁道车辆的高速发展具有重要的指导意 义。国内对于铁道车辆内部结构以及零部件的疲劳特性研究相对滞后，但是近年来的 发展非常迅速。国内先后进行了多次铁道车辆大提速，以往的疲劳问题并不明显，近 年来高速车的大力发展，使得疲劳问题越来越重要，它是列车运行安全性的重要指标， 所以近年来对它的重视程度逐步加大。 列车在线路上正常运行，车体内部结构构件和零部件都在运行过程中受到各个不 同方向上的载荷作用，并且载荷也在不断变化，特别是线路状况不好的情况下，主要 体现在轨道不平顺，雨雪天气等自然因素的影响，使得各部件所受载荷更加复杂多变， 特别在提速过程中，常规的构架设计已经不能达到要求，在运行过程中很快就会产生 各种疲劳破坏，影响列车正常运行。当然，载荷的多变是产生疲劳破坏的主要原因， 但是交变载荷的不断作用才是疲劳产生的最主导因素，静载作用时主要是构架整体结 构决定了各种损伤破坏，但是动态载荷的作用会产生局部损伤，这种损伤慢慢累加， 最终导致疲劳破坏。所以说，疲劳破坏的主要显现方式是局部损伤破坏，零部件在设 计过程中，如果不注意一些连接处的过渡，很容易在运用过程中造成应力集中，慢慢 产生裂纹，最终引起局部损伤破坏。 以上介绍了疲劳产生的主要原因，但是影响的主要因素有三个：金属材料本身的 疲劳特性，内部成分，还有就是内部结构设计不合理等；结构部件的显现状态主要有 外部光滑处理，结构内部的结构缺口，尺寸的大小影响，结构的残余应力处理等，作 业环境主要是受各类外部载荷的作用。 工业生产中如果要制造一个大型结构，主要方法是先根据图纸上的尺寸要求先生 产各零部件，最后将各个零件组装在一起，组装过程，通常采用的方法是焊接方法。 焊接的经济实用，灵活多变等优越性使得它被大多数生产部门所采纳，虽然焊接有以 上这些特点，但是焊接方法有一个非常大的缺点，就是在外部交变载荷作用下，就算 较小的应力也会使得焊接部位产生断裂。查阅资料表明，金属材料由于交变载荷作用 产生疲劳断裂，绝大多数都是因为焊接部位产生的问题。焊接结构在承受外部载荷时， 如果是静载作用，其承载能力甚至高于整体部件，但是受到动载作用时，由于焊接技 术的不成熟很容易产生疲劳破坏。高速车的转向架构架零部件之间的连接也是焊接而 成，所以疲劳强度的研究重点就是在连接处的焊接处上。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 焊接部位的疲劳破坏主要由以下几点产生： ( 1 ) 应力集中 结构部件在设计过程中，由于工业生产要求的需要，所以使得结构中难免会存在 各种尖角和不规则部位，所以焊接过后在连接处很容易就会在运用过程中产生应力集 中，最终导致疲劳破坏，虽然各焊接部位的应力变化不都相同，但是最终的疲劳影响 很大程度上决定了构架的疲劳寿命。 ( 2 ) 焊接缺陷 焊接技术的不成熟，焊接工艺的不完善，导致实际焊接过程中会造成各种焊接缺 口或者焊接损坏，这些问题的产生势必会影响到构架的疲劳寿命，主要体现在这些焊 接部位会产生应力集中，产生断裂。由于结构的要求，这些缺口或损坏产生在构架的 各个局部位置或者各个方向上，外表面的缺口影响比内部影响要大得多，应力集中的 缺口位置要比应力分布均匀的缺口位置对构架的疲劳影响要更为严重，垂向载荷作用 力的影响比其余方向上的载荷影响要大。 ( 3 ) 焊接残余应力 除了以上这些，焊接残余应力也是影响疲劳强度的一个重要因素。应力有时候甚 至以相平衡的内力成对出现，它对整体的影响不大，但一旦出现在应力集中位置，影 响就非常大，如何解决这个问题，当前工业生产中主要运用喷丸或者退火的方式进行 处理。 构架的连接方式采用焊接技术，疲劳强度的影响主要来自于：应力的大小变化、 应力变化周期以及局部的设计。应力的大小和应力的变化周期是在列车运行过程中测 试出来的，局部的设计是在各种试验验证的基础上，逐渐深化完善的。所以本文研究 的高速车转向架构架也在结构上做了细微调整。比说各种连接部位采用圆弧的过渡， 轴箱连接处为了加大承受能力，采用厚钢板进行焊接，至于一些连接处的焊接结构， 根据要求进行严格打磨，减小疲劳损伤。 2 2 有限元理论 2 2 1 有限元分析方法 现代工业设计过程中，为了保证机械构架的正常使用，必须先对其进行强度计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 强度的主要分析计算方法，叫做有限元分析法【l5 1 ，这种方法是近代才慢慢发展起来的， 发展才将近半个世纪，它是一种近似模拟计算方法，是计算机高速发展后的产物，也 是整个数值计算领域中最有用的方法。其实很早这种思想就被提出，比它的发展早了 几十年，但是当时计算机并不存在，所以它的计算方法并不被人们所熟知，优越性也 没有完全体现出来，所以就淡出了人们的视线。直到计算机水平的飞速发展，使得计 算能力不断增强，所以它才被人们重新接受，逐渐运用在工业生产领域之中。其实， 只要是连续性问题，都可以采用这种方法。它的最初运用是在飞机的强度计算中，通 过离散形成单元体，最后进行近似求解，得到飞机的强度分析结果。但是当时的计算 机水平还不能满足这种方法的运用，所以这种计算方法的运用受到很大的限制。计算 机技术发展二三十年后，数学计算领域，微积分的大力发展，离散数学理论和收敛分 析计算方法的涌现为有限元法提供了依据，是这种方法在工业领域被广泛采用，除了 所认知的固体力学领域发展迅速，只要是在连续结构的强度分析中，都起着举足轻重 的地位。很多复杂的工程分析问题在运用这种方法后迎刃而解，它的优越性被逐渐体 现出来。它其实是一种近似计算的物理方法，先将整体结构进行离散，离散所得单元 形状简单，包含若干节点，整体结构的受力分析完全可以体现在这些离散单元的节点 上。根据条件要求设定边界条件，增加边界节点的约束条件，最终进行数值计算。简 而言之，就是简化多个自由度的整体模型为有限个单元的结构计算方法。 这种方法是工业生产中求解物理问题非常有效的手段，它的数学依据是变分思想， 整体结构离散成单元体，通过单元体的分析得到代数方程，完成计算。 有限元分析法的主要步骤是将分析对象进行离散化处理，整体结构被离散成有限 个单元后，计算过程中将这些单元当成只在顶角处相接，相接点叫做节点。离散后的 有限个单元体和原来的整体结构的主要区别是：各单元之间除了顶点处的连接外其他 部位都认为是分离开的。但必须遵守一个条件，就是要必须满足变形协调，不能重叠， 不能开裂。这些单元之间的力相互作用，主要体现在节点相互传导作用力，节点上所 受的各种载荷称之为节点载荷。分析过程中，对整个离散单元整体结构模拟加载，使 其产生位移变形，也就是弹性形变，体现为各单元的弹性形变，各结点产生不同的位 移变化，称之为节点位移。在计算过程中，分析各类条件限制，将节点位移设定为未 知量，此处认为每个单元分块类似，通过数学手段，寻求一个简单的函数，以节点位 移为参变量，利用力学理论方法，建立加载力和位移变化之间的数学关系式，最后得 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 到一组代数方程，建立方程，构造刚度矩阵，定义边界参数，加载条件，最后求解， 结果中包含位移变化，应力大小等。综上所述，有限元分析的重要步骤就是离散过程， 离散单元的大小，形状都会影响求解结果，简化整体模型的结构，细化单元类型，不 断提高精度，这才是有限元分析计算的重中之重。 2 2 2 有限元分析软件 在有限元分析过程中，如果分析对象的结构比较简单，可以通过离散，进行结构 分析，加载求解，最终得到比较准确的结果。但是在实际运用中，我们大多数情况所 遇到的分析对象都比较复杂，有些体现为结构比较复杂，还有一些体现在工况的确定 比较复杂，加载位置和范围比较复杂等，对于这些问题的求解，为了得到相关的应力 大小，得到较为准确的结果几乎不大可能，所以在这种情况下采取的方法就是将计算 模型进行细微的简化，最终离散成含有较少自由度的结构，求出近似结果。工业生产 中，有限元分析方法扮演着极为重要的角色，它的求解方法也极大地满足了计算的需 求。它在各个领都起着至关重要的作用，包括结构力学、流体力学、岩土力学、航天 工程、铁道工程等。当今计算机技术的发展，带动着有限元方法的不断进步，使得它 的应用向多元化，普及化方面发展。以前都是采用实物实验的方法验证结构的强度， 最终进行计算分析，目前，这种方法慢慢取代了实物实验，通过模拟完成强度分析过 程。查阅资料表明，全球范围内绝大多数的机械产品和机械构件都是在有限元的分析 方法下验证强度，进行产品的优化和完善。运用这种分析方法，运用模拟分析取代实 体试验，大量的节约了人力物力。正因为有这些优点，各国也大力发展有限元分析方 法的深入研究，在计算机技术的推动下，产生了各种各样的有限元分析软件，有专业 运用的，也有通用的。纵观这些有限元分析软件，通用的有a n s y s 、a b a q u s 、i d e a s 、 m a r c 、n a s t r a n 等，比较专用的有d e f o r m 、l s d y n a 等，有限元分析技术的大力发展， 从侧面推动了科技的进步和发展。本论文的研究对象是高速车转向架构架，运用有限 元分析手段对其进行强度分析，为之后的寿命评估做好准备。 在这些大多数有限元分析软件中a n s y s e l 6 是一个被大家广泛运用的软件，我们可 以在这款软件中进行静强度分析，动态疲劳分析，流体力学分析等问题。a n s y s 有限元 分析软件在商业中运用也极为广泛。在工业生产中，机械零件在受n j i - 部载荷的作用 时，体现出来的变化有位移变化，应力变化等，通过这些变化分析出机械构件的变化 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 状态，最后进行优化处理。但是大多数的机械结构都非常复杂，外部载荷的加载也极 多，一般的理论分析都没法进行了，所以首先先对分析对象进行简化，当然简化的标 准是不能改变主体结构，最后通过计算求解算得结果。过去的几十年时间里，a n s y s 有限元分析软件被大量采用，它是主要的c a e 分析工具，分析结果也较为准确，精度 较高，所以运用极为广泛，在机械、电子等领域运用非常多。运用有限元分析，有效 地缩短时间，降低成本。本论文研究的对象是高速车转向架构架，就是运用a n s y s 软 件进行强度分析的。 在进行有限元分析前，必须先对研究对象进行建模，对照图纸上的尺寸建立三维 模型，主要建模软件有p r o e n g i n e e r ，s o li d w o r k s 等。a n s y s 分析软件有个很重要的 特点，就是和这些三维软件之间可以无缝连接。建立好三维模型之后可以直接将其导 入到a n n y s 中进行有限元分析。 在有限元发展过程中，涉及到两个非常重要的处理步骤，就是前处理和后处理过 程。在整个分析过程中，占主导的并不是有限元处理环节，一般前处理过程是有限元 分析过程的主导决定步骤，也就是对整体进行网格划分，离散单元。还有就是有限元 分析结束后的后处理过程，就是对结果的分析提炼。对于如果研究对象较为复杂，作 业条件较为恶劣的，它的前处理过程就显得极为复杂。有限元计算过程所需的时间较 短，而且是计算机的自动运算，不耗费人力，所以做好前处理和后处理的工作才是重 点。随着工业化的不断发展，研究分析对象的作业条件越来越复杂，外在因素的影响 也越来越大，所有有限元分析软件中自带的前后处理模块已经无法达到要求了。 在前处理过程中，如何得到符合条件的网格结构才是重点。因为离散出的单元是 否符合条件将会直接影响之后的有限元分析工程，如果单元划分较好，之后的计算求 解过程将非常的顺利，节约时间，还能得到较好的结果。如果在离散过程中产生各种 奇异单元或者节点，最终计算结果将会失真，甚至导致计算中途结束。什么样的单元 才是高质量的单元，简单地说，各单元之间的边角基本一致，网格不扭曲，不含有奇 异变化的单元和节点，应力集中部分划分较为均匀，这样就可以达到要求了。在a n s y s 有限元分析中，由于本身前处理模块的缺陷，所以就算遇到较为复杂的研究对象，通 常都是自由划分，最后很容易得到含有奇异变形的单元和节点，主要是因为结构中的 突变位置单元产生后发生变形，一些过渡区域产生奇异单元，还有就是网格的密度不 统一，很容易产生网格变形，所以划分得到合理的单元结构显得非常重要，而a n s y s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 软件中的前处理模块显然没有达到要求。 鉴于技术发展的需求，各种前处理软件也逐渐涌现出来。为了得到高质量的网格， 一款离散单元的计算机软件应市推出，就是h y p e r m e s h ，该软件是非常有用的前处理分 析软件，划分网格的功能极为强大，而且还可以与多种三维建模软件进行无缝连接。 如果在三维建模软件中建立的模型不够完善，比如含有缝隙，连接不上，尺寸不对应， 都可以在这款软件中进行修改，得到符合条件的模型后，进行网格划分，离散得到高 质量的单元。这款软件的菜单程序非常完善，可以根据需求建立各种二维或者三维模 型结构。在划分网格后。如果对于划分结果不太满意，还可以对网格的局部进行修改， 重新划分。，还可以根据需要调整网格密度，调节网格的划分算法。在网格的选取上 h y p e r m e s h 软件提供了常见的四面体，六面体等多种单元类型，再划分过程中，可以实 时控制，在过渡部位，可以良好过渡，最终得到高质量的离散单元。 2 3 疲劳及可靠性理论 2 3 1 疲劳理论 机械构件受到各种交变载荷的作用，产生各种损伤，最终会导致疲劳破坏1 7 】。主 要表现方式为，损伤在一段时间的累积后，机械构件的表面产生细小裂纹，如果没有 得到妥善处理，随着时间的积累，疲劳裂纹沿着应力方向的垂直方向不断扩大，当这 种发展趋势不断延续，达到材料的强度极限时，最终机械构件发生断裂。 疲劳损伤的累加，直至最终破坏的体现方式的特点有： ( 1 ) 机械构件在作业过程中，受外部载荷作用，产生的交变应力比拉伸强度极限 低的情况下，也会发生疲劳破坏。 ( 2 ) 机械构件的材料是脆性的或者塑性的，从损伤累计到最终疲劳破坏都是以脆 性断裂的方式来表现的。 ( 3 ) 损伤累计后发生断裂的部位只限于局部，对整体影响不大。 ( 4 ) 疲劳断裂不是一个短时间过程，它是损伤在一定时间内累计的结果。 2 3 2 可靠性理论 工业工程中，为了评估金属材料的疲劳寿命，都建立了相关的评价标准。在大多 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 数行业中如果机械结构失效，则将其认定为疲劳问题。本文中主要研究铁道车辆的转 向架构架疲劳可靠性问题。铁路车辆运行速度的提高，使得各主要部件的服役条件越 来越复杂，也越来越恶劣。加载载荷的多元化，随机载荷的影响，特殊工况的产生， 使得构架在运行过程中所受的外部载荷在不断变化，各个局部位置的疲劳问题也越来 越严重。 可靠性是指产品( 泛指零部件、结构和设备等) 在规定的寿命期间内在规定的工作 条件下能够执行规定功能的能力。可靠性的数量特征包括：可靠度、累积失效概率、 失效率等。 所谓可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时问内完成规定功能的概率。它与 规定的时间t 有一种函数关系，计作r ( t ) ，有时称作“可靠度函数”，在疲劳中也称作 “存活率函数” 所谓累积失效概率就是累积分布函数，表示产品的寿命t 比规定的时间t 短的概 率，也就是产品在时间t 以前失效的概率。失效率函数表示产品已经工作到t 的条件下， 在t 时刻后的单位时间内的失效概率相对于t 时刻还能正常工作的概率的比值。 2 4 应力分析 本文主要的研究对象是高速车转向架构架，前面介绍了有限元分析方法，将构架 进行有限元分析后得到了应力结果，用于寿命评估的应力分析方法有以下几种： 1 、准静态应力法：这种方法是研究对象在受到外部载荷时，对结构进行线弹性分 析，对于结构本身的质量以及它的振动都不予考虑，定义结构的刚度为一个较 大的值，致使结构在运动时产生的加速度不大，外载荷基本平衡，此时采用这 种方法进行分析。 2 、瞬态动力学分析法：一般来说，结构部件在任意时间内受到各种外载荷不断变 化时采用这种方法进行分析，也是动载荷作用最常用的分析方法。 3 、谐响应分析法：这种方法有一定的特殊要求，它是在结构的动载荷变化按正弦 规律变化时采用的应力分析方法。 4 、随机振动应力分析法：这种方法是应用于谱分析的应力分析方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 第3 章动态仿真载荷谱的生成 本章中通过对高速列车转向架构架在动力学仿真软件中进行一些特殊工况的动力 学仿真，在不同的条件下生成载荷谱，得到构架上不同部位的加载依据。 3 1 列车运行系统的动态仿真 铁道车辆在运行过程中，由于线路的不平顺等各种不动因素的影响，产生了各种 动力学的运行状态，相互之间的影响非常复杂。计算机技术在近年来的飞速发展，不 断的完善了各种各样的数值算法，所以使得很多的铁道车辆中的动力学仿真慢慢的得 以实现，各种复杂的运算也能逐步完善，各种不同针对性的动力学仿真软件相继问世， 也实现了各部件的相互作用以及各种关键因素的不断完善。通过运用这些软件，模拟 车体的运行状况，进而得到车体在不同轨道上运行产生的各种载荷，包括各种重要零 部件之间的相互作用载荷数据。 随着列车运行速度和运输能力的不断提高，列车在运行过程中平稳性和可靠性的 要求也越来越高，所以各种车辆的动力学问题逐渐显现出来。美国在2 0 世纪7 0 年代 组织了历时1 0 年的轨道列车动力学研究计划( t r a c k t r a i nd y n a m i c s p r o g r a m ) ，主要 对列车运行时的列车操纵问题、气候因素以及地形的差异等对列车动力学各方面的影 响，通过在以上这些研究的基础上不断深化完善，根据各种需要在不同条件下进行动 力学仿真建模，模拟真实列车的运行状态，对铁道车辆的动力学研究的发展起着至关 重要的作用。 国外在列车动态运行仿真上的研究比较早，具有代表性的国家是建立新干线轨道 的日本，该国学者在车体动力学仿真方面做了很多研究，也提出了很多重要的想法， 贡献较大。对于他们研究的主导方向，主要是末尾车辆的动态影响和变化，主要是新 干线轨道上运行的列车中，由于线路的不平顺等原因使得末尾车辆的平稳性指标远比 其他车辆要低。 除日本之外，其他很多国家的学者也对车体的动态仿真提出了很多宝贵的想法和 意见，有德国，法国，澳大利亚等国家。全世界所有学者的共同努力，使得车体动态 仿真方面的科研工作在不断地发展和前进。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 在全球范围内，各种不同的动态仿真模型被提了出来，普遍被运用的有四类。这 是铁道车辆领域的权威学者k n o t h e 教授通过各种对比挖掘总结出来的，这四类模型中， 就包含我国学者一车辆专家翟婉明教授和车辆专家孙翔教授通过试验验证和理论分 析，提出来的“翟一孙模型”，这种模型当今被广泛运用，在整个铁道车辆领域具有较 高的权威。 对于当前研究的车辆系统动力学仿真工作，主要目的是为了使车辆运行可靠性与 稳定性能达到要求，为了达到这种要求，主要的贯彻方针是将车体振动的研究和轮轨 接触磨耗等思想方法相结合，提出两种动力学研究思路，一是刚性约束条件下轮轨接 触动力学动态仿真，还有一种是刚性和弹性共同约束下轮轨接触动力学动态仿真，这 两种思路的研究方式都包含整体单元化的思想方法。由于结构强度问题在动力学的研 究上具有较大的局部性，它的研究与各种载荷在车体运行时具体作用部位、分布区域 以及局部的约束条件都有关联。综合考虑这些因素，在完成列车运行动态仿真后，得 到了一系列的各部件加载载荷谱，而轮轨接触间产生的载荷作用，与真实列车运行产 生的作用相差较大。 当前列车在线路上的实际运行，由于受到的各种外部条件在不断变化，产生了各 种特殊性影响和随机性影响，所以，当前的动态仿真还不能完全百分百的真实再现列 车运行，为了逐渐达到这个目标，必须在原有条件下，准确了解结构中各个部位的加 载状况，加载分布区域的大小，局部区域的各类相关约束条件，就成了研究的重点。 解决了以上这些问题，才能逐步提高列车运行的可靠性与安全性，具有极其重要的实 际意义。 3 2 列车运行的载荷谱 考虑完整个动态仿真的过程，得到仿真后的计算输出结果才是最关心的。在实际 线路谱上对列车进行动态仿真，得到列车整个结构中各部件上内外受到的交变载荷， 也就是载荷谱，载荷谱真实体现了各部件上所受载荷的大小变化以及分布区域，通过 对载荷谱进行深入研究，可以准确评估零部件甚至整体结构的疲劳裂变，再通过各种 损伤理论的统计计算，可以准确的计算疲劳应力，评估寿命，这也是本论文的重点内 容。 列车运行过程中载荷谱的产生主要分为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 一规范计算载荷。这种办法产生载荷谱相对比较简单，但得到的结果可能会与 实际条件下的载荷相差较大，所以此种方法一般只是在结构零件设计的最初阶段才会 采用。 二线路实测。此种方法得到的结果对于特定线路与实际结果非常接近。但是它 的误差主要产生在各个特定测试阶段，也会在车辆整个服役寿命周期中出现各种差异， 由于设计工况相对复杂，所以很难在整个线路实测中各考虑周全，还有就是可能在实 测载荷谱时实测部位与要求部位会存在差异。所以这种方法在初期可以用于强度考核， 也可以用于可靠性与安全的性验证和评价。 三动力学仿真。对于列车在线路上的实际运行，不管是线路实测还是实验研究， 势必耗费大量的人力物力，并且最终结果也会因为各种因素的影响不尽准确。所以对 列车进行动态仿真才是最好的方法。就目前的研究水平来说，各种动态仿真方法已被 提出，并在运用过程中不断地改进完善，可以说各种复杂的工况以及不同的轨道激扰 都能真实再现，所以这种办法就显得更加实用。当然，这种方法并不是十全十美，由 于仿真手段的局限性，也会产生各种不同的误差，所有的这些误差中，主要来源是因 为机械结构强度理论与列车运行动力学理论之间不能完美结合，存在或多或少的各种 差异，最终产生动态仿真的误差，还有一种误差来源于列车运行的动态参数以及线路 激励谱与实际状况相差较大。虽然存在以上这些缺陷，但它相比其他方法优越性较为 明显，所以在初期阶段，运用较多。当然，如果动态仿真与实测相比差异较小的话， 这种方法就能在实际运用中节约大量的人力物力，并且使得最终的疲劳寿命预测比较 准确。下面，就简单介绍国内外动态仿真的研究状况。 在国外，动态仿真开展较早，所以研究也比较深入。学者r ，k l u o 等结合整个车 体和轮轨接触的研究，建立出合理的动力学仿真模型，通过对线路的研究和实测，定 义各项参数，最后运用动力学软件v a m p i r e ，得到列车运行过程中所需要的交变载荷谱。 学者m g o b b i 等通过对整个列车系统进行模型简化，定义各项参数，将其设定为一个 线性变化的结构，在轨道激励下进行动态仿真得到所需的动态响应，体现为位移变化， 最终得到交变载荷载荷谱。学者s t e f a nd ie t z 等人在研究过程中，将整个转向架结构 定义为一个弹性变化的实体，运用多体动力学理论，模拟轮轨接触的各种相应变化， 通过动态仿真最终得到交变载荷谱。学者s e b a s t i a ns t i c h e l 等人在研究转向架构架 的交变载荷时，运用多体动力学理论，将平时独立研究的时域变化影响和频域变化影 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 响结合在一起，最终得到动态变化的载荷谱。学者p m d i n d i n g e r 等人 18 主要的研究 方向是对实测结果中得到的相应变化进行编辑，最终得到较为准确的动态仿真所需的 各项参数，再作出较为准确的疲劳评估和预测。学者i a nm a u s t e n ” 等人采用理论联 系实际的研究手段，现对一个实例进行研究，最后提出理论研究手段。学者r o b e r t j p 1 a s k i t t 【2 0 等人在动态仿真的到载荷谱的基础上，运用疲劳损伤计算软件n s o f l 最终评 估研究对象的寿命。学者j c c h o i 2 1 1 等人在原有载荷的基础上，通过过滤处理，得到 造成疲劳损伤较大的各类载荷，进行重组和编辑，最后得到一组新的在和数据，并且 和原有的载荷数据造成的损伤一致，这样大大简化了研究过程，提高了研究效率。学 者s h e n o i r a 2 2 等人先得到结构部件在在载荷谱，在进行分类重组，简化载荷的种类， 但损伤结果不变的前提下加速了研究，节省了很