车辆结构强度设计与分析

第八章 车辆结构强度设计与分析,结构的强度计算，一般包括三个主要问题：,1.结构承受的作用载荷的分析；2.确定由于作用载荷在车辆结构中产生的应 力和变形，必要时应校核结构的稳定性；3.确定结构在保证运输安全及耐久性的条件下，许用应力、刚度和疲劳评估方法。,轨道车辆结构强度分析的内涵：,（1）承受使用期间可能出现的各种载荷与变形，并具有良好的工作性能。 （2）在正常维修和保养条件下，具有足够的运用耐久性。 （3）在偶然事件（如脱轨、撞击等）发生时，能保持必需的整体结构稳定性。工作适用性、使用耐久性、事故安全性。,轨道车辆结构强度问题反映在以下几个方面：,（1）结构静力破坏。如零部件破坏，碰撞破坏。 （2）疲劳失效。耐久性差造成的。 （3）结构动态特性设计不良引起的共振。轻则导致动力性能恶化，重则引起结构因剧烈振动而遭损伤甚至毁坏。 （4）难以预测的意外事故引起的结构失效。四种分析类型：静强度（刚度）分析；疲劳强度分析；模态分析；耐撞击安全防护设计与分析。,第一节 作用在车辆上的载荷,1.一般情况应考虑的作用载荷（或力） （1）垂向静载荷 （2）垂向动载荷 （3）侧向力 （4）纵向冲击力及由它所产生的惯性力 （5）制动力和制动产生的惯性力 （6）车辆通过曲线时所受的钢轨横向作用力 （7）修车时加于车辆上的载荷 （8）扭转载荷及斜对称载荷,2.因车辆用途和结构不同的各种载荷（或力）,（1）罐体内压力 （2）散装粒状货物的静、动侧压力 （3）车辆在机械化装卸时所受的力3.作用载荷（或力）的主要作用方式 （1）垂向方式 （2）纵向方式 （3）侧向方式 （4）自相平衡的力组及斜对称载荷,第二节 作用在车体上的载荷,一、垂向静载荷 （一）车体自重 （二）车辆载重1.货车载重2.客车载重3.整备重量,二、垂向动载荷,三、侧向力,（一）风力2007年2月28日，据新华网来自乌鲁木齐 铁路局的最新消息，在今天凌晨发生的乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车因大风脱轨事故中，已证实3名旅客死亡，2名旅客重伤，32名旅客轻伤，南疆线被迫中断行车。据乌鲁木齐铁路局介绍，今天凌晨2时05分，5807次旅客列车行至南疆线珍珠泉至红山渠间42公里300米处，因大风造成机后9至19位车辆脱轨。 报道说，据测风仪记录，列车脱轨地点瞬间风力达到13级。,（二）离心力,通过缓和曲线路段时，发生离心力,四、扭转载荷,通过缓和曲线路段时，易发生扭转载荷,五、纵向力,六、散粒货物的动侧压力,七、罐体的内压力,包括液体蒸发气体的内压力、液力冲击时所产生的压力及所装液体自重引起的静压力。,高速列车客车车体载荷：,高速列车客车车体载荷：,二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷,（一） 作用在转向架上的载荷,一、垂向静载荷 （一）作用在心盘上的垂向静载荷1.自上而下法2.自下而上法,（二）作用在转向架任一构件上的垂向静载荷,二、垂向动载荷,三、纵向力所引起的附加垂向载荷,四、侧向力引起的附加垂向载荷,1.车辆内外侧轴箱的附加垂向载荷(风力、离心力),2.侧架受力,3.构架受力,五、侧向力及轮轨间作用力所引起的水平载荷,（一）转向架在曲线上的三种位置,（二）转向架回转极点的位置,（三）中间位置时转向架的受力分析1.整个转向架的受力分析,2、轮对的受力分析,3、侧架的受力分析,4、构架的受力分析,六、垂向斜对称载荷,1、弹簧高度误差引起的垂向斜对称载荷,2、弹簧刚度误差引起的垂向斜对称载荷,3、垂向斜对称载荷的实际算法,七、制动时的载荷,第四节 车辆强度分析,一、车辆按有限元法计算时应考虑的主要问题 （一）合理的确定计算模型 （二）正确选用或编制合适的结构分析软件 （三）计算结果的处理,二、计算实例,三、车辆上常用材料及许用应力,轨道车辆零部件强度设计,第1节 螺旋弹簧设计 第2节 轮对强度分析 第3节 构架强度设计 第4节 车体结构设计,第1节 悬挂元件设计-螺旋弹簧设计,（1）几何参数 （2）单卷弹簧设计公式 （3）双卷弹簧设计公式 （4）弹簧现代设计,D弹簧中径，即螺旋线圆柱直径 D2=D+d弹簧外径 D1=D-d弹簧内径 弹簧的螺旋角，即螺旋线的升角 t簧条间距，即螺旋线的节距 d簧条直径（mm） H0弹簧的自由高 n弹簧的有效圈数，即螺旋线的圈数 螺旋线的极角 C旋绕比，C=D/d,（1）几何参数,（2）单卷弹簧设计公式,（3）双卷弹簧设计公式,采用单级刚度双卷弹簧双卷弹簧代替单卷弹簧时，为不改变原弹簧的特性，必须满足以下条件：双卷弹簧的外卷和内卷的弹簧指数 、应力 和 挠度要分别等于单卷弹簧的相应值相等。即：,（4）弹簧现代设计,A、弹簧CAD设计 B、弹簧有限元分析 C、弹簧优化设计,A、弹簧CAD设计,1、 三段直线,2、 三段等螺距螺旋线,3、一段变螺距螺旋线,B、弹簧CAE分析,弹簧CAE设计实例-转K2弹簧有限元分析,（1）刚度（f=mm） （2）强度（f=47.2mm）,C、弹簧优化设计,（C）算例 已知某机车弹簧的相关参数为：Pst=119.428kN， fst=106.0mm，H0=490mm。材料为60Si2CrVAT，许用应力=1050MPa4，疲劳许用应力-1= 370MPa。取机车取弹簧裕度系数Kvd=0.5，动荷系数Kd=0.255。,（A）Matlab中的分析步骤 建立优化模型并转成标准格式。 生成“优化目标函数”m文件 生成“优化约束条件”m文件 生成“优化求解程序”m文件 执行求解程序。,（B）弹簧优化设计数学模型,执行：>> OPTProg 结果：x = 50.8034 220.9303 4.7975fval = 6.8228e+004,第2节 轮对结构强度分析,（一）车轮的强度分析（二）车轴的强度分析（三）轮对分析,一、车轴的强度分析,1、车轴强度计算2、车轴CAD/CAE分析,1、车轴强度计算,（1）计算载荷 （2） EN 13104标准 （3）JISE 4501标准 （4）计算方法,（1）计算参数,各动车组动车车轴强度计算中需要用到的有关技术参数见表2.5 0,（2）计算载荷,EN 13104标准 JISE 4501标准,车轴承受的载荷主要包括： 一系悬挂系统传递到轴箱上的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷； 轮轨接触点作用在车轮上的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷； 驱动系统或制动系统产生的载荷。,EN 13104标准,根据欧洲标准EN 13104对车轴进行计算，加载方案如图5-50所示。,表5-16 30NiCrMoV12钢轴不同位置的旋转弯曲疲劳极限,JISE 4501标准,日本JIS E 4501铁道车辆车轴强度设计方法和JIS E 4502铁道车辆车轴品质要求,（3）计算方法与计算截面,在对车轴进行强度校核时一般选取车轴直径变化位置和有压装配合位置截面作为危险部位，对其进行强度校核。轮座位置、轴颈位置都要进行重点校核。,车轴强度计算方法采用材料力学或弹性力学理论确定车轴的应力分布。,2、车轴CAD/CAE分析,车轴加工工艺车轴CAD车轴CAE,车轴加工工艺,利用多刀机床进行车轴机械加工的工艺过程： 工序1是加工端面和中心孔； 第2-3工序是粗加工车轴： 第4工序加工a、b、c、d、e、f、g面和各轴肩进行加工； 第5工序加工车轴中部， 第6工序修整两个顶尖孔，同时将轴端车到290士0.3mm； 第7工序是粗磨车轴； 第8工序是滚压抱轴瓦部分及与之相邻的轴肩表面。,车轴CAD,车轴CAE,分析模型,分析结果,十字分割线,二、车轮的强度分析,1、车轮强度分析的内容 2、车轮强度分析载荷工况 3、车轮CAD/CAE分析,1、车轮强度分析的内容,车轮是轮对的重要组成部分，其疲劳强度直接关系到动车组运行的安全性、可靠性、稳定性等，故动车组车轮需进行车轮静强度、动强度和轮轴过盈配合强度等3个方面的分析。,UIC 5105/2003整体车轮技术条件 EN 13979l/2003铁路应用轮对和转向架车轮技术验收程序第一部分：锻制和轧制车轮,2、车轮强度分析载荷工况,根据UIC 510-5：2003（整体车轮技术）标准进行车轮设计，对于安装到动轴上的车轮，考虑车轮通过直线、曲线和道岔时的载荷。,除了上述UIC 510-5规定的垂向和横向载荷外，还应考虑下表所示的载荷条件。,Q:每个车轮承担的重量,3、车轮CAD/CAE分析,车轮生产工艺 车轮CAD 车轮CAE,车轮生产工艺,车轮CAD,车轮一直由两道工序加工完成, 即： 先加工内壳面、内辐板、轮缘、内辋面； 然后翻身找正加工外壳面、外辐板、外辋面、踏面及孔, 其中轮缘、踏面在喉部接刀。,轮缘踏面外形作图方法 A.1 各基准线、圆心作图方法(符号标识见图A.1，符号代表的数值见所作外形图样) A.1.1 以OX、OY为坐标轴，X轴为踏面基线。 A.1.2 以O为圆心，R6为半径作弧aa，交x=L3的直线于O6点。 A.1.3 以O6点为圆心，R6R5为半径作弧bb，交位于Y轴左侧x=L2的直线于O5点。A.1.4 以O5点为圆心，R5R4为半径作弧cc。 A.1.5 取G点(70+B1，H1)，以G为圆心，R4为半径作弧dd，dd与cc交于O4点。 A.1.6 以O4点为圆心，R4为半径作弧ff。作与ff相切并与X轴成110°角的直线gg。 A.1.7 以O6点为圆心，R6+R7为半径作弧mm，交x=L4的直线于O7点。LMA和ST2型无O7点。 A.2 LMA型轮缘踏面曲线作图方法如下：a) 作x=70的直线，以O2点(70+L1，HR2)为圆心，R2为半径作圆O2；以R1为半径作圆，与x=70和圆O2相切；以R3为半径作圆O3，与圆O2和gg相切；以O4点为圆心，R4为半径作圆；以O5点为圆心，R5为半径作圆；以O6点为圆心，R6为半径作圆；作斜率为1/40的直线段JK与O6圆相切，K点的横坐标为L5； b) 通过K点作1:的直线段KM； c) MN为5mm×5mm的倒角，KM的长度由轮辋厚度确定； d) 剪切各圆及直线，得外形轮廓，切(交)点为A、B、D、E、F、H、I、J、K、M、N；e) 图中C点为轮缘顶点，G点为轮缘厚度测量点。,车轮CAE,GB 8601-1988铁路用辗钢整体车轮-客车车轮,三、轮对分析,1、轮对CAD 2、轮对承载应力 3、轮对装配应力分析 4、轮轨接触应力,1、轮对CAD,轮对的基本尺寸,2、轮对承载应力,3、轮对装配应力分析,为保证运行过程中，车轮不会与车轴发生相对转动或脱离，轮轴之间应有足够的 接触压应力。在标准EN13260:1998对轮对轮轴过盈量j有如下规定： a)采用收缩装配:0.0009dmj 0.0015dm; b)采用压力装配:0.0010dmj0.0015dm+0.06; 其中:dm表示轮座位置轴的平均直径，单位为mm。,式中H一轮对所受的横向力;M一轮对所受的扭矩;R-轮毂孔半径;L为轮对装配长度;u为轮轴配合面摩擦系数。,接触强度：,4、轮轨接触应力CAE分析,5、踏面制动零件热机耦合分析,对车轮热负荷最不利的制动工况： 紧急制动工况热流密度分别为288.8 kW/m2 和拖曳制动工况热流密度为175.6kW/m2。,温度场结果热机耦合场结果,踏面制动车轮热机耦合分析,第3节 高速转向架焊接构架强度设计,（一）高速转向架焊接构架强度设计规范（二）转向架构架CAD/CAE分析,（一）高速转向架焊接构架强度设计规范,UIC 515-4客车转向架结构强度试验方法/ UIC 615-4：2003 牵引单元：转向架和走行装置转向架构架的结构强度试验 JISE4207“铁道车辆转向架构架设计通用条件” 我国的200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验暂行规定。 TB/T 2368-2005.动力转向架构架强度试验方法,