CRH2-300型动车组拖车转向架测力毕业论文.doc

CRH2-300型动车组拖车转向架测力毕业论文目 录1 有限元方法简介1.1有限元方法1.1.1有限元软件ANSYS简介1.2载荷识别方法1.2.1载荷识别的定义与应用1.2.2载荷识别方法概述2 应力集中方法2.1 有限元建模2.1.1 模型的建立2.2 计算结果及分析3 转向架构架有限元分析3.1 CRHZ一300型拖车转向架构架3.1.1 侧梁组成3.1.2 横梁组成3.2 作用在转向架上的载荷系4 测力构架方案设计4.1 浮沉载荷系4.1.1第一类设计方案评估4.1.2第二类设计方案评估4.2 侧滚载荷系4.2.1第一类设计方案评估4.2.2 第二类设计方案评估4.2.3 第三类设计方案评估5 结论与展望1 有限元方法简介1.1有限元方法有限元法【5，6是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7是将连续的求解区域离散为一组有限个并且按一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。虽然有限元的概念早在40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。到上个世纪70年代，在这个时期有限元方法也从变分学里找到了数学依据。离散数学、广义变分、收敛分析等数学内容也开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5。目前，世界上有90%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。1.1.1有限元软件ANSYS简介ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件9。在进行分析之前可用交互式图形来验证模型的几何尺寸、材料及边界条件;在分析完成之后计算结果的图形显示立即可用于分析检验。ANSYS程序使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据及求解结果。模型数据通过前处理器写入数据库;载荷和求解结果通过求解器写入数据库;后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处理器写入数据库，即可为其它处理器所用。1.2载荷识别方法1.2.1载荷识别的定义与应用结构振动问题可大致分为正问题和逆问题两大类。正问题是根据系统特性和激励确定振动系统的响应，主要应用有限元分析法，这是振动理论中传统的研究内容。与之相反的振动问题，既由系统的响应来反求系统的动态特性、动态激励及与之相关的一些问题称为振动逆问题“l。载荷的测定即为非常重要的一种逆问题。载荷的测定方法有直接测定法和间接测定方法，前者通过使用某种传感器直接测出载荷信号或与之相关的参数，将其转化为电量，经过后续一系列处理即可得到载荷的大小。例如高压容器中的压力脉动可通过直接测量容器内压强脉动而得到。然而对于许多实际工程结构，由于结构本身的复杂性和所受环境的限制等原因，其所受的外载荷是难以直接测量的，有时甚至是不可能直接测量的，这就需要用到载荷识别的方法来确定外载荷。载荷识别(LoadIdentification)，顾名思义，就是根据已知的输出和系统特性，求解系统输入的过程，也称为载荷确定(ForceDetermination)。载荷的确定在结构系统的力学计算、结构设计、故障诊断中十分重要，他为结构的动态计算、设计与分析、结构疲劳模拟实验、结构动力修改与优化提供可靠的依据，可为减小振动、提高结构的可靠性、安全性提供确切的环境条件。在有些情况下，如疲劳寿命分析及可靠性评定领域中，确定真实的外载荷是十分必要的，因此，随着我国现代化建设的飞速发展，对载荷识别开展研究的呼声日高川。载荷识别的研究开始于七十年代中期，最早出现在航空工业，随着飞机飞行性能要求的提高，在飞机设计中大量采用了复合材料，为了更好地掌握材料的受载状况，强烈要求了解飞机的飞行载荷，用于研究直升机飞行时螺旋桨主轴所受到的力，从而提出了载荷识别的课题。近年来，随着社会的发展，载荷识别已经在许多领域得到了广泛的应用，海洋平台波浪载荷的确定、桥梁的车辆载荷、建筑物受到的地震激励等、飞行器在飞行过程中产生的振动，还有核反应堆中的部件等在工作时也产生振动，这些激励都应该给与重视，对其要加以分析。但由于受工作环境的约束，应起这些振动的载荷通常无法真接测量或者测量比较困难，而他们的响应信号则往往是很容易测得。这就用到载荷识别的方法来进行载荷的确定。常规的载荷识别方法是将载荷假定为确定性的，用测量的响应数据来识别载荷2，3。1.2.2载荷识别方法概述传统上，载荷的识别分为频域法和时域法两大类。前者根据频响函数及模态参数在频域中进行识别，后者直接在时域中进行。随着工程信号处理和识别方法的不断发展，其中的许多方法，如小波分析、分形、神经网络等，也逐渐成为载荷识别的方法。在频域中识别载荷的研究比较早，主要利用激励和响应间频响函数的求逆实现，识别原理简单、直观，便于应用。但频域法主要是针对确定性的载荷进行的或者把随机载荷直接按确定性载荷来考虑。频域法包括两种基本方法:频响函数矩阵求逆法和模态坐标变化法。前者只需知道频响函数和响应谱矩阵，即可以对载荷进行识别。后者则必须知道系统的模态特性及模态参数，像系统的各阶振型，刁能识别载荷在频域中的特性，进一步确定载荷的时间历程。时域载荷识别，主要是利用阶跃力假设的积分方法来处理载荷识别问题。在时域内进行载荷识别工作起步较晚。1985年，H.ory，H.Glaser等人首先提出了离散系统的载荷识别方法。文献l4在文献【5】的基础上，采用刚度、质量凝聚的方法，给出了模态截断后修正的载荷识别计算模式。由于在实际工程应用中，人们采用较多的是离散系统，所以近几年来，大小被刊出的文章是关于假设微小时间内载荷为阶跃函数的基础上的求解振动微分方程的方法。时域载荷识别，由于识别过程的各种因素(如结构系统本身的非线性性、响应测量精度、测点的位置等)都对识别效果有很大影响，因而对载荷的识别较为复杂，识别技术尚不完善，对结构的边界条件和初值条件比较敏感，识别精度不甚理想，而且稳定性有待提高。但是，时域内求解载荷的时间历程，不需要经过傅立叶变换在时域和频域中转化，且所得的结果比较直观，在工程实际应用中得到了广泛的应用。无论采用什么方法进行载荷识别都存在着精度的问题。首先，测点位置的选择对载荷识别的精度有极大的影响，用于载荷识别的测点应选择在应力信号较大、应力梯度较小的部位，并根据需要识别的载荷性质，分别将测点布置在与被识别载荷特点相关的部位。其次，振型的截断也会带来误差，在计算中，不可能把所有的振型都找全，忽略较高阶的振型，引起截断误差。在频域中，对泄漏造成的误差，一般通过加窗及平均的办法对谱密度进行平滑估计以减小泄漏误差的影响。在时域中，对模态矩阵中各阶振型的计算或测试误差，可采用最小二乘法减到最小。但是，从目前的研究状况来看，虽然提出了许多不同的方法，但识别的效果均不够理想，识别结果都还没有用于工程实际，或结构的动态设计中，在实际工程应用中还没有起到应有的作用;各种识别方法基本上都是基于某一特定的工程实例进行的研究，因而这些方法有较大的局限性，限制条件也较为苛刻，对识别中碰到的许多实际问题，例如稳定性、域精度分析、病态问题、测点选择等，缺乏深入的研究，还没有形成系统的理论体系。因此，载荷识别的工程应用，仍然与载荷识别方法和理论的研究一样，处于探索阶段，没有形成系统的理论体系和完整的应用技术，还不能满足工程实际的需要。由于载荷识别问题本身存在的不稳定性，再加上载荷识别问题比较突出的个性特征，这一问题的解决还需要较长时间的发展。就目前的识别方法和技术，对结构阻尼较大，受力数量较少，载荷作用形式较为简单，相应测试条件便利的结构，例如海洋平台的受力分析;铁路车辆转向架构架和主要吊、支座的载荷识别等，可以得到较好的识别结果，载荷识别技术也最先为这类结构的动态设计、试验载荷提供依据。目前工程实践中常用的载荷识别方法是准静态法。由振动理论可知，当激励载荷频率在所分析构件的任何自然(固有)频率之下，可以忽略振动响应的影响，简单的认为任一时刻的应力状态可以通过线性叠加各个不同载荷的响应来模拟。定义一组静态载荷，任一时刻的应力状态为: 2 应力集中方法提要:根据实测经验，识别某单一载荷信号时，通过组桥后该信号信噪比较低，为了达到测力构架的设计要求，因而引入应力集中的方法来增大响应。高速动车组转向架构架是由板材组焊而成的箱型结构的组合体，其局部多为板型结构。本章对板型结构中引入应力集中的技术进行系统分析。在受力物体形状突然改变或材料不连续的地方，会出现应力局部增大的现象，这种现象就是应力集中。在等截面构件中，应力分布比较均匀。若构件上有孔、沟槽、凸肩、阶梯等使截面尺寸发生突然变化时，在截面发生突变部位附近的小范围内，应力将显著增大。受力构件挖孔后，力流将被空洞阻断，在孔洞边缘附近产生显著的应力集中。应力集中的程度可用应力集中系数来表示。应力集中系数的大小，只与构件形状和尺寸有关，与材料无关2。高速动车组转向架构架是由板材组焊而成的箱型结构的组合体，其局部多为板型结构。对于板型结构而言，比较方便有效的引入应力集中的方法是在板上挖孔。由于构架箱型结构封闭并兼做附加空气室，在引入应力集中时不能破坏结构的密闭性，只能挖坑而不能挖孔。本章采用三维有限元方法对带有圆坑的板型结构的应力集中状况进行了系统的计算分析，为在构架实际结构中应力集中方案选择提供依据。2.1 有限元建模2.1.1 模型的建立用平面有限元模型分析拉伸准无限圆坑板，取板厚为10mm，板的长度是圆孔半径的50倍，宽度也是半径的50倍，这样就完全可以模拟拉伸无限圆坑板。采用平面等参9节点单元，有限元网格划分采取等差数列，使得越靠近孔边，网格越密，同时有限元程序及网格划分的精度是很高的，(误差均小于l%)，收敛性也很好22l。在此分别作了板中央出现的单个和两个圆坑进行了计算和分析。2.1.2载荷及坑处理为计算方便，拉力/板宽二IOON/InIn，即取不受圆坑影响的远处基准应为10MPa。应力集中系数K=口八。23，根据厂方要求，挖坑深度不能超过板厚的三分之二，转向架板厚一般为10fnfn，因此坑深最大取为6Inln;按照贴片要求，坑最小半径为Slnln，坑间距最小为3lllln。R是圆坑半径，D是两圆坑边缘之间最短距离，H是圆坑的深度。单坑叮取坑边缘最大应力，双坑口取相邻两坑边缘最大应力。2.2 计算结果及分析2.2.1 单圆坑的计算有限元模型如图3一1所示3 转向架构架有限元分析提要:本章比较详细地介绍了CRHZ一300型高速动车组拖车转向架构架的结构组成和受载方式。采用三维有限元方法建立了构架的有限元分析模型。系统分析了构架在各种载荷系单独作用下应力的分布特征和量值大小。动车组转向架是连接车体和轮对的重要装置，一方面起到支撑车体的作用，另一方面还传递车体和轮对之间的各种载荷和作用力。动车组在线路上运行，受线路条件(像轨道的不平顺、过曲线)等的影响，构架承受着随时间不断变化的垂向、横向及纵向载荷，即动载荷。本文中采用有限元软件ANSYS，仿真计算构架在各模拟动载荷单独作用下应力的分布，为测力构架方案设计提供准备工作。3.1 CRHZ一300型拖车转向架构架CRHZ一300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4一1所示。其中l为侧梁，2为纵向连接梁，3为横梁，4为空气弹簧支承梁，5为拉杆座，6为增压缸安装座，7为定位臂座，8为垂向止挡，9为轴盘制动吊座，10为轮盘制动吊座。构架的承载构件主要采用了符合日本JlsG3114标准的材质为SMA490BW，焊接结构用耐候钢材料。3.1.1 侧梁组成CRHZ一300动车组拖车转向架构架侧梁断面的结构如图4一2所示，侧梁内腔设加强筋板，所有焊缝焊接坡口采用机械加工形成。从图4一2中可看出，CRll2一300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。侧梁组成如图4一3(a)所示。侧梁内设置了厚度为6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中206的圆孔，以便横梁通过。侧梁两端采用筒体结构，支承在轴箱弹簧上。厚度12的筒壁与侧梁梁体厚度smm的腹板采用厚度渐变的对接焊缝;上盖板厚度为22，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。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4一3(b)所示。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4一3(b)所示。轴箱弹簧筒体外焊有轴箱减振器座，如图4一3(c)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。 3.1.2 横梁组成构架横梁采用无缝钢管型材，管材规格为小203x11。横梁材质同样为SMA49OBW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4一4所示。为提高构架疲劳强度，横梁上各吊座与横梁之间焊接，均要求对关键焊缝进行严格打磨处理;同时，为避免或降低应力集中，各吊座与横梁连接的上下盖板均设计为圆弧过渡形状。3.1.3纵向连接梁在两横梁之间为两个纵向连接梁，其目的一是为设置横向减振器安装座和悬挂制动增压缸，二是连接两横梁，以提高横梁的刚度。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70升，因此，空气弹簧支承梁的焊接有较高的密封性要求26。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4一5所示。 3.2 作用在转向架上的载荷系要测定结构部件的外部载荷系，首先要对其进行正确的受力分析，了解结构在使用条件下外载荷的数量、作用特点和作用效果(结构在外载荷作用下的响应)，才能进行正确测量。动车转向架构架在实际运营中受多种载荷作用，可归结为以下几种27:一、垂向载荷垂向载荷分为垂向静载荷和垂向动载荷。垂向静载荷是由于车体自重、载重和装备重量等引起的。在实际运营中，动车组两空气弹簧载荷随时间不断地发生变化。转向架构架两空气弹簧受到的载荷大小和方向均相同时，便产生浮沉运动，此时两空气弹簧载荷之和称为浮沉载荷系;若上述条件任何一个条件不满足，便发生侧滚，此时，两空气弹簧载荷之差即为侧滚载荷系。二、横向载荷动车组进入线路的曲线区段后，转向架一方面承受由车体传来的侧向力，另一方面还受到钢轨给车轮轮缘的横向力和轨面作用在轮踏面上的摩擦力。横向载荷系的大小和方向是与动车组的运动情况和线路条件有关，其值是随时间不停的变化的。三、纵向载荷当列车启动、变速、制动和调车作业时，产生的牵引或压缩冲击力，其大小与列车的重量、运行的速度、制动机能、缓冲器特性等有关。纵向牵引拉杆是连接车体和转向架的构件，起着传递大部分纵向载荷系的作用。四、扭转载荷扭转载荷系是一组垂直作用在构架轴箱部位的自相平衡力系，此力系对于构架的纵向和横向中心平面呈反对称分布。主要是由于动车组转向架构架为刚性构架，在垂向静载荷系作用下，因为线路条件和转向架结构本身存在的缺陷等原因引起构架的四个轴箱反力不等而造成的。造成构架四个轴箱反力不等的原因很多，其主要是:各支点的高度不等(由于构架、轴箱弹簧、车轮直径、轴颈直径等制造误差以及线路不平顺和转向架进入缓和曲线时所造成的)和各支点的刚度不等。综上，动车组拖车转向架受到的载荷主要分为浮沉载荷系、侧滚载荷系、横向载荷系、扭转载荷系、纵向载荷系等。4 测力构架方案设计提要:本章在前两章研究工作的基础上，结合第二章介绍的有关方法，从载荷谱编谱需要出发，重点针对满足载荷系提纯精度和载荷系测量信噪比两方面要求，对CRHZ一300型高速动车组拖车转向架测力构架进行方案设计。在实际运用条件下，结构测点大致可以分为两种:一是与结构强度相关的测点，应力较大、应力梯度也较大的点，可称为应力测点，如各种主要连接焊缝的根部等，通过这些测点的分析可以直接评价结构的疲劳可靠性;二是应力较大但应力梯度较小的部位，可称载荷识别点，这类测点主要用于识别载荷3。在本研究工作中，测试载荷的主要目的是建立构架载荷谱。为使编制的载荷谱能足够真实地反映实际承载情况，根据北京交通大学结构强度实验室多年的研究和实测经验，测力构架设计应满足两个方面的要求:一是实测时与每一载荷系主要载荷级对应的响应至少应达到20MPa，以保证测试信号的噪声成分为10%左右(根据大量实测经验，高速动车组整个测试系统噪声水平为2MPa左右)，这样的信号经过后续进一步处理可以获得满意的数据;二是在测量某一载荷系时，其它载荷系产生的干扰信号应低于总信号的10%，即载荷分离纯度至少达到90%，以保证所编制的载荷谱与结构实际受力状况的一致性。本文将与测力构架对应的载荷识别点采取的载荷识别方案分为三类:第一类所在区域直接测量的方案就满足上述两个要求;第二类所在区域直接测量不满足，但进行组桥方式后测量的方案满足上述两个要求;第三类所在区域通过组桥后测量仍不满足，但通过造应力集中后并进行组桥方式测量的方案满足上述两个要求。本章通过按照第一类、第二类、第三类设计方案的评估，选择出满足条件的设计方案，最终设计出测力构架。(为设计方便，图中A和B、C和D沿纵向轴对称;A和C、B和D沿横向轴对称)4.1 浮沉载荷系对于浮沉载荷系，根据应力图比较可得出:浮沉载荷系作用下应力比较大，强响应区较多，如图5一1所示。 4.1.1第一类设计方案评估选取这三处强响应区，在受不同载荷系一单独作用下的应力大小进行对比分析，列于表5一1一5一3中。为了描述的方便，各载荷系用相应的符号表示:p:浮沉载荷系;几一侧滚载荷系;几扭转载荷系;几横向载荷系;几纵向载荷系;纯度为载荷分离纯度即单独载荷系作用下的应力大小占各载荷系作用下应力大小之和的比值32。(例如:表5一l中31.39/(3一39+2.75+0.32+0.55+1.09)=87.ooo) 4.1.2第二类设计方案评估对这三处强响应区，分别进行组桥，考虑各个载荷系作用后应力对称特性，进行比选，确定组全桥:在两个侧梁各贴一个纵横组合，共四个片。同一纵横A、C组合，B、D组合为邻臂，两个工作片C、D组合为对臂，两个补偿片A、B组合为对臂。工作片(C、D)与另一侧梁的温度补偿片(A、B)相连。方案1纵横贴片位于在空气弹簧下方侧梁主体下盖板正中部(为设计方便，图中A和B、c和D沿纵向轴对称;A和c、B和D沿横向轴对称);方案2纵横贴片位于空气弹簧下方测量主体上盖板正中部(为设计方便，图中A和B、C和D沿纵向轴对称;A和c、B和D沿横向轴对称);方案3贴片位于定位臂座与侧梁连接处的圆滑过渡区外部(为设计方便，图中A和B、C和D沿纵向轴对称)。组桥后的应力计算公式为J=(a，+口，)一(乓+几)。三种方案分别如图5一5、5一6、5一7所示。 浮沉载荷系识别组桥方案1应力可以达到62.06MPa，纯度可以达到95.0%，浮沉载荷系识别组桥方案2应力可以达到62.57MPa，纯度可以达到95.3%;浮沉载荷系识别组桥方案3应力可以达到59.36MPa，纯度可以达到90.3%，这两种方案都属于第二类，考虑到测量的准确性，选择第2种。4.2 侧滚载荷系侧滚载荷系作用于拖车转向架构架的两空气弹簧上，根据对称性，选择2(参考图4一14)位进行分析，如图5一8。 图中1、2、4、5区域应力较大，但这些区域在定位臂座与侧梁连接处的圆滑过渡区，属于连接焊缝区域，属于第一类，不能作为载荷识别点。区域3位于位臂座与侧梁连接处的圆滑过渡区外部，6为位于空气弹簧下方侧梁主体下盖板中部，选取这两处强响应区，并进行对比分析。4.2.1第一类设计方案评估 图5一9所示6区域应力值，此处应力处于2.4一3.1州田a。分别选择图5一8中3、处，在受不同载荷系单独作用下的应力大小进行对比分析，列于表5一7一5一8中。 4.2.2 第二类设计方案评估对上述两处强响应区，分别进行组桥，考虑各个载荷系作用后应力对称特性，进行比选，确定组全桥:在两个侧梁各贴两个纵向应变片，共四个片，工作片A、B组合，C、D组合为邻臂，工作片A、C组合，B、D组合为对臂，工作片(A、D片)与另一侧梁的工作片(B、C)相连。方案1纵向贴片位于在空气弹簧下方侧梁主体下盖板中部。(为设计方便，图中A和B、C和D沿纵向轴对称:A和c、B和D沿横向轴对称);方案2纵向贴片位于定位臂座与侧梁连接处的圆滑过渡区外部(为设计方便，图中A和B、C和D沿纵向轴对称;A和C、B和D沿横向轴对称)组桥后的应力计算公式为口=(气+几)一(几+几)。两种方案如图5一10、5一11、5一12所示。 4.2.3 第三类设计方案评估现根据这两种方案进行造应力集中挖两圆坑，两圆坑半径为smm、坑距3mm、坑深smm。第1种方案在空气弹簧下方侧梁主体下盖板中部如图5一12;第2种方案在定位臂座与侧梁连接处的圆滑过渡区外部如图5一13，组桥方式不变。 5 结论与展望5.1 结论建立高速列车转向架构架疲劳可靠性设计规范和评估标准具有重要的工程实际价值，是实现高速列车结构研发自主创新的一个标志性的关键环节，其基础是建立构架载荷谱。本文研究工作属于国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术研究及装备研制”(高速列车关键结构件载荷谱部分)重大项目的组成部分，本研究工作的主要任务是进行CRHZ一300型高速动车组转向架测力构架的方案设计。测力构架是为适应高速列车转向架构架载荷谱建立需要而提出的一项具有创新性的技术方案。由于高速列车转向架构架的载荷激扰频率与构架弹性振动固有频率接近，构架实际受到的载荷与动应力之间呈复杂的动态传递关系。采用测力构架方式进行构架载荷测量对于建立构架载荷谱具有独特优势:测试载荷与构架疲劳关键部位动应力之间具有准静态传递关系，很适合用于建立构架疲劳可靠性设计规范和评估标准所需的静态化的载荷谱。构架是承受复杂载荷作用的框架型结构，为适应构架载荷谱编谱需要，本文将构架载荷分解为浮沉载荷系、侧滚载荷系、扭转载荷系、横向载荷系以及纵向载荷系。这些载荷系在构架上产生的响应具有一定程度的祸合性，因此测力构架设计首先必须解决载荷系的解藕问题。原有构架用于测力时，满足载荷系解偶要求的测试方案一般都存在着信噪比低的问题。噪声主要与整个测试系统的固有特性和测试环境相关，与构架测力方案关联很小。因此，从构架测力方案设计的角度，提高信噪比的主要途径在于增强响应信本文以C盼2一300型高速动车组拖车转向架构架为对象，在分析与各载荷系对应的响应分布特征的基础上，结合响应祸合度分析，确定了适宜的测试区域和合理的组桥方式;在参考实测载荷水平的基础上，预测了上述测试方案的响应水平，结合测试区域特征，选用适宜的应力集中技术增强响应信号以满足载荷测试要求。主要工作如下:一是针对转向架构架局部多为板型结构的特点，考虑到必需保持构架结构密闭性的限制，选择了挖坑这一方便有效的应力集中引入方式。采用三维有限元方法对挖坑产生的应力集中效果进行了系统分析，进一步分析了相邻双坑在满足贴片条件下的应力集中叠加效果。研究表明，单坑边缘的应力集中系数可以达到1.7左右，双坑边缘的应力集中系数可以达到3.1左右，提高约80%。证实相邻双坑是一种方便有效的强化应力集中方案。二是在详细分析CRHZ一300型高速动车组拖车转向架构架的结构组成和受载方式的基础上，采用三维有限元方法建立了构架的有限元分析模型。根据构架承载特点和载荷谱编谱需要，将构架载荷分解为浮沉载荷系、侧滚载荷系、横向载荷系、扭转载荷系和纵向载荷系。系统分析了各载荷系单独作用下构架应力的分布特征，结合实测载荷量值大小和载荷谱编制要求，预测了原型构架的基础应力量值，为进行测力构架方案设计奠定了基础。三是从满足载荷谱编谱需要出发，重点针对载荷系提纯精度和载荷系测量信噪比两个方面，采用合理的组桥方式和引入应力集中的方法，分别对每一种载荷的测试方案进行了设计。分析表明:各载荷系测试方案对应的本载荷系提纯精度均不低于90%，噪声占总信号的比例不超过10%，满足载荷信号测试精度和载荷谱编谱要求。CRHZ一300型动车组拖车转向架测力构架各载荷系具体测试方案如下: 如图6一1所示，位置:在空气弹簧下方侧梁主体上盖板正中部:组桥方式:确定在两个侧梁各贴一个纵横组合，共四个片。同一纵横A、C组合，B、D组合为邻臂，两个工作片C、D组合为对臂，两个补偿片A、B组合为对臂。工作片(C、D)与另一侧梁的温度补偿片(A、B)相连。该方案对应的浮沉载荷系的提纯精度为95.3%，浮沉载荷系单独产生的响应量值为62.57MPa。如图6一2所示，位置:空气弹簧下方侧梁主体下盖板中部，两圆坑半径为5、坑距3、坑深smm;组桥方式:在两个侧梁各贴两个纵向应变片，共四个片，工作片A、B组合，C、D组合为邻臂，工作片A、C组合，B、D组合为对臂，工作片(A、D片)与另一侧梁的工作片(B、C)相连。该方案对应的测滚载荷系的提纯精度为90.45%，测滚载荷系单独产生的响应量值为20.75MPa。如图6一3所示，位置:定位臂座的饭金上，圆坑半径为6mln、坑距4mm、坑深Slnln;组桥方式:两个饭金上各贴两个纵向应变片，共四个，工作片A、B组合，C、D组合为邻臂，工作片A、C组合，B、D组合为对臂，工作片(A、D)与另一侧梁的工作片(B、C)相连。该方案对应的横向载荷系的提纯精度为90.6%，横向载荷系单独产生的响应量值为25.gMPa。如图6一4所示，位置:纵向连接梁与横梁内侧;组桥方式:在两个纵向连接梁各贴两个应变片，共四个，工作片A、C组合，B、D组合为邻臂，工作片A、B组合，C、D组合为对臂，工作片(A、B)与另一侧梁的工作片(C、D)相连。该方案对应的扭转载荷系的提纯精度为96.06%扭转载荷系单独产生的响应量值为32.68MPa。如图6一5所示，位置:空气弹簧下方测量主体上盖板的横侧量连接处，圆坑半径为Slnln、坑距3二、坑深Slnln;组桥方式:在两个侧梁各贴两个纵向应变片，共四个片，工作片A、B组合，C、D组合为邻臂，工作片A、D组合，B、C组合为对臂，工作片(A、D)与另一侧梁的工作片(B、C)相连。该方案对应的纵向载荷系的提纯精度为%.41%，纵向载荷系单独产生的响应量值为21.35MPa。6 展望提出用组桥和造应力集中的方法将转向架改造成测力构架是载荷识别的一种新方法。本文的工作只是对改造测力构架提出了一种满足要求的理论设计，但没有经过实际验证。为了提高设计的可行性，需要在以下两个方面作进一步研究:1.对测力构架设计方案进行疲劳可靠性评估;2.对测力构架设计方案进行实际标定，以确定设计方案的准确性和可行性。转向架测力构架研制工作还刚起步，需要继续进行深入的研究，并不断通过实践检验，研发出符合要求的测力构架。参考文献【1】钱立新主编.世界高速铁路技术.北京:中国铁道出版社.2003【2】朱超甫，陈虎平，刘哲.测力传感器设计的应力集中原则.传感器世界，2001，12:22一24.【3】盛美珍.电阻测力传感器设计的应力集中问题研究.北京电力高等专科学校学报，2008，12:125一126.【4】日本工业标准调查会.JlsE4208.铁路车辆转向架载荷试验方法.2004.6【5】高秀华.结构力学与有限单元法原理.长春:吉林科学技术出版社，1995【6】杜平安，甘娥忠，于亚婷编著.有限元法一原理、建模及应用.北京:国防工业出版社，2004【7】北京交通大学结构强度检测实验室.提高机车车辆转向架构架寿命及可靠性研究.北京:北京交通大学