地鐵車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度分析

1、地鐵車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度分析本文利用HyperMesh建立構(gòu)架的有限元模型，參照UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)架加載主要運(yùn)營(yíng)載荷，用RADIOSS求解各工況下的應(yīng)力，并計(jì)算出關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。然后用HyperGraph軟件繪制材料的Goodman疲勞極限圖和關(guān)鍵點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的關(guān)系，根據(jù)Goodman圖完成了構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度分析，得出構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度合格的結(jié)論。1 引言轉(zhuǎn)向架是地鐵車輛的重要部件之一，它直接承載車體重量，保證車輛順利通過曲線。同時(shí)，轉(zhuǎn)向架的各種參數(shù)也直接決定了車輛的穩(wěn)定性和車輛的乘坐舒適性。構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架其余零部件的安裝基礎(chǔ)，不僅要將車體重量和運(yùn)行中的振動(dòng)載荷傳遞到輪對(duì)，

2、還要承受連接在其上的牽引、制動(dòng)與懸掛系統(tǒng)部件所產(chǎn)生的各向載荷。由于構(gòu)架有如此復(fù)雜的受力狀態(tài)，因此，有必要在轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)階段對(duì)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。本文以地鐵車轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架為研究對(duì)象，利用Altair公司的HyperMesh軟件建立構(gòu)架的有限元模型，并利用RADIOSS求解器軟件求解構(gòu)架在幾種典型的工況下的應(yīng)力，計(jì)算出關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，根據(jù)材料的Goodman圖，完成了構(gòu)架的疲勞分析。2 構(gòu)架的有限元模型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為全封閉焊接結(jié)構(gòu)，主要由2個(gè)側(cè)梁和2個(gè)橫梁組成，構(gòu)架側(cè)梁整體呈U形的箱型焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)架兩端的下側(cè)設(shè)有橡膠彈簧安裝座，中央上部設(shè)有空氣彈簧安裝座。構(gòu)架的橫梁也采用封閉的箱型焊接

3、結(jié)構(gòu)，橫梁的外側(cè)斜對(duì)稱位置設(shè)置電機(jī)吊座和齒輪箱吊座，下側(cè)的斜對(duì)稱位置設(shè)有牽引拉桿座，兩個(gè)橫梁之間設(shè)有橫向止檔座。橫梁和測(cè)量?jī)?nèi)部還設(shè)有多塊筋板，以加強(qiáng)構(gòu)架的強(qiáng)度。利用HyperMesh軟件建立的構(gòu)架的有限元模型如圖1所示，有限元建模過程中按照構(gòu)架的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，除電機(jī)吊座和齒輪箱吊座用實(shí)體單元外，其余結(jié)構(gòu)全部用板單元離散?？紤]電機(jī)慣性對(duì)構(gòu)架強(qiáng)度的影響，在電機(jī)質(zhì)心處建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用剛性單元將該節(jié)點(diǎn)與電機(jī)吊座連接。共離散出24454個(gè)節(jié)點(diǎn)，23553個(gè)單元，其中實(shí)體單元5136個(gè)，板單元18417個(gè)。點(diǎn)擊圖片查看大圖圖1 構(gòu)架的有限元模型3 載荷計(jì)算及工況構(gòu)架的運(yùn)營(yíng)靜載荷計(jì)算參數(shù)如表1所示：表1

4、 構(gòu)架的靜載荷計(jì)算參數(shù)點(diǎn)擊圖片查看大圖3.1 主要運(yùn)營(yíng)工況載荷3.1.1 垂向載荷按照UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)，主要運(yùn)營(yíng)工況的垂向載荷為：點(diǎn)擊圖片查看大圖垂向載荷作用在側(cè)梁的空氣彈簧安裝座上。3.1.2 橫向載荷根據(jù)UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)架的橫向載荷為：點(diǎn)擊圖片查看大圖橫向載荷作用在橫向止檔座上。3.1.3 扭曲載荷扭曲載荷模擬線路扭曲情況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的翹曲，作用于一系彈簧安裝座處，且一個(gè)對(duì)角方向向上，另一個(gè)對(duì)角方向向下，構(gòu)架的扭曲載荷大小為：點(diǎn)擊圖片查看大圖3.2 主要組合計(jì)算工況考慮車體浮沉振動(dòng)引起的垂向力的變化，取垂向力百分比=0.2，考慮車體側(cè)滾引起的垂向力的變化，取垂向力百分比=0.1

5、，根據(jù)UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)，主要運(yùn)營(yíng)工況的組合工況如表2所示：表2 組合計(jì)算工況點(diǎn)擊圖片查看大圖4 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC的研究組織推薦使用Goodman疲勞強(qiáng)度曲線圖法評(píng)估構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度。該方法的評(píng)定原則是構(gòu)架上各節(jié)點(diǎn)的的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力在線圖的規(guī)定范圍內(nèi)。應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的計(jì)算公式為：應(yīng)力幅：點(diǎn)擊圖片查看大圖平均應(yīng)力：點(diǎn)擊圖片查看大圖采用RADIOSS求解器構(gòu)架在上述13種工況下的的應(yīng)力分布。根據(jù)構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇應(yīng)力較大及易發(fā)生疲勞裂紋的5個(gè)點(diǎn)為疲勞強(qiáng)度評(píng)估采樣點(diǎn)：第1點(diǎn)為側(cè)梁與橫梁交界處上蓋板，第2點(diǎn)為側(cè)梁與橫梁交界處下蓋板，第3點(diǎn)為齒輪箱吊座與橫梁交界左上角，第4

6、點(diǎn)為齒輪箱吊座與橫梁交界右下角，第5點(diǎn)為電機(jī)吊座上蓋板左角。各采樣點(diǎn)疲勞強(qiáng)度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示：表3 采樣點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果點(diǎn)擊圖片查看大圖構(gòu)架的材料為低合金高強(qiáng)度鋼，取屈服極限為360Mpa，疲勞強(qiáng)度為240Mpa，采用HyperGraph軟件繪制得到的材料的Goodman圖及采樣點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的結(jié)果如圖2所示：點(diǎn)擊圖片查看大圖圖2 材料的Goodman圖及疲勞分析結(jié)果由圖2可知，各采樣點(diǎn)的應(yīng)力范圍均在Goodman疲勞極限范圍內(nèi)，表明該構(gòu)架滿足疲勞強(qiáng)度要求。5 結(jié)束語用HyperMesh軟件建立了構(gòu)架的有限元模型，并按照UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)架加載主要運(yùn)營(yíng)工況下的載荷，然后用RADIOSS軟件求解各工況下構(gòu)架的應(yīng)力，并計(jì)算了