连续测力轮对的数字试验研究_cae_产品创新数字化(plm)_335

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1、连续测力轮对的数字试验研究_CAE_产品创新数字化(PLM)0引言   测力轮对是检测轨道-车辆系统运行状态的重要工具。车辆与轨道间的作用力是评价车辆运行品质和线路状态的重要因素。测力轮对检测的轮轨作用力是评定列车运行的平稳性和安全性的基本指标。因此，研制能够连续精确测量轮轨力的测力轮对装置是非常必要的。   连续测力轮对将应变传感元件安装于车轮上，利用车轮的变形来获取轮轨力。这一方法既能获得连续的轮轨力，又能得到较好的测试精度。当前，在测力轮对上利用电桥测试轮轨力的技术已取得很大的进展，如文献[1

2、]～[4]就对测力轮对的连续测量理论及精度的提高进行了描述。然而，目前测力轮对的研究主要基于实验室的实物标定数据。在现代虚拟样机技术和有限元方法已经不断成熟和普及的情况下，可以开展连续测力轮对的数字试验研究，对测力轮对进行更深入细致的研究。在数字试验与实验室的实物试验结果取得一致后，数字试验的分析和研究结果将为测力轮对的整体设计方案，应变片位置的选择、测试方案的完善以及测试数据的有效处理等提供有力的理论支持。1测力轮对的试验研究   “S”形辐板的RD2型车辆轮对作测力传感器，在该轮对上对辐板在横向

3、力和垂向力作用下的应变进行测试，图1为“S”形测试辐板应变片的贴片位置示意图。在辐板的一个断面上，沿径向以辐板上曲线长度15mm间隔，内外两边对称地贴有22个应变片，以15°为间隔旋转至180°进行测试，图2、图3显示了在垂向、横向载荷作用的应变分布的测试结果。   实物标定试验是非常费事的工作，而且对横向作用力来说无法在轮轨踏面上准确加载，从而无法实现横向作用力的准确标定。所以，我们想借助计算机仿真技术，它可以计算测力轮对的辐板在各种载荷工况下的应变分布，分析横向、垂向加载点对辐板应变分布的影响，

4、寻求最佳贴片位置。图1辐板应变测试时的布片示意图a车轮辐板内侧b车轮辐板外侧图2垂向载荷作用下的应变分布测试结果a车轮辐板内侧b车轮辐板外侧图3横向下载荷作用下的应变分布测试结果2测力轮对的有限元分析   利用有限元法可以建立“S”形辐板的RD2型测力轮对的实体单元模型，对它进行作三维应变分析。本文利用Nastran有限元分析程序进行分析计算，根据结构的对称性，将测力轮对的一半建立的有限元模型见图4。该模型共分成94260个六面体单元(CHEXA)，114437个节点。对在车轮踏面滚动圆处作用垂向载

5、荷V＝10kN及横载荷L＝10kN的两种工况进行分析。   在垂向载荷作用下，车轮辐板内、外侧垂向应变分布如图5所示，从图5中看出垂向力主要使辐板产生压应变，且大的压应变值分布在辐板内侧轮轨接触点与轮毂之间的以较小的扇形区域内，由于“S”形辐板的特殊型，辐板内侧靠近车轴的小扇形里呈现拉应变，而辐板外侧则呈现压应变。在横向力作用下，车轮辐板内侧垂向应变分布如图6所示，从图6中看出横向力主要使辐板内侧产生拉应变，且大的拉应变值分布在辐板内侧靠车轴的小扇形里，而辐板外侧则呈现压应变。图4测力轮对的有限元模

6、型图5垂向力作用下车轮辐板内侧应变分布图6横向力作用下车轮辐板内侧应变分布   有限元法所计算出的应变分布是在全局直角坐标系下的，在该坐标系下某一结点有6个应变分量εx，εy，εz，yyz，yxz，yxy。由于辐板的圆周性和“S”形的特点，要输出既沿辐板径向，并且在径向又和“S”形曲面相切的应变分量，就需要把全局坐标系下的应变分量转换到要求的新的局部坐标系下，在新坐标系下的同一结点的6个应变分量εx′，εy′，εz′，yy′z′，yx′z′，yx′y′。如果新老坐标系之间有如下关系：   其中，li

7、，mi，ni(i=1，2,3)表示3个局部坐标轴对于全局坐标轴的方向余弦。   根据应变作为张量的性质，可以得到变换公式：   根据公式(1)，可以在车轮辐板提取到和贴片方向一致并沿圆周分布的应变分量，在垂向载荷和横向载荷作用下的部分观测点计算和试验应变结果的比较如图7、8所示。在图中a图为车轮辐板内侧的应变分布对比情况，b图为车轮辐板外侧的应变分布对比情况；虚线为试验结果，实线为计算结果；从图中看出计算结果和试验结果吻合较好，因此有限元计算方法可以作为测力轮对数字试验的分析和研究工具。a车轮辐板内

8、侧b车轮辐板外侧图7垂向加载情况a车轮辐板内侧b车轮辐板外侧图8横向加载情况3最佳贴片位置的选取   根据文献[1]提出的测力轮对连续测量的新方法，该方法引入谐波分析建立辐板轮应变的有效分析方法，将测量组桥归结于数字滤波器设计，路桥感应的应变组合有足够精确地逼近余弦函数，大大降低了对贴片位置的要求，但要求辐板上三个不同位置，使得方程组(2)的系数矩阵具有较好的特性。   为了考虑接触点位置的影响，用有限元分别计算了垂向力加载滚动圆、加载滚动圆内30mm和加载滚动圆外3