crhlt2gt动车组动车构架结构强度分析

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北京交通大学硕士论文中文摘要随着国民经济的发展和科学技术的进步，高速列车在我国的广泛应用必将成为现实。转向架构架是动车组的关键部件之一，其性能好坏对动车组运行安全性具有十分重要的影响。首先，论文利用大型通用有限元软件ANSYS对200km／h动车组动车转向架构架进行了有限元分析，依据分析结果并参照标准JISE4207和JISE4208，对构架进行了静强度和疲劳强度的评价；其次，通过对试验测得的大量数据进行处理，按上述疲劳强度评价标准对动车构架进行了结构强度评价；最后，对以上两种方法的结果进行了对比分析，分析结果表明动车在我国线路上运行与JIS标准得出的动应力水平存在一些差距，这对制定我国高速动车组转向架设计计算规范是非常必要的。论文通过不同方法的分析与比较，得出了CR．H2动车组转向架动车构架符合在我国线路上运行900万公里的使用寿命要求，并为我国以后动车组动车转向架构架可靠性分析及疲劳强度评估提供了重要依据，这对推动我国高速铁路的发展具有重要意义。关键词：CRH2动车组、静强度、疲劳强度、有限元分析分类号： 』￡京交通大学颈十论文ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofnationaleconomyandadvanceinsciencearidtechnology,thewidespreadapplicationofhi|曲speedtraininChinawillbecomereality．Asoneofthemostimportantnecessarypart，thebogieflame’spropertyhassignificantimpactonrunningsafetyofEMU．Firstly,thelarge—scaleandgeneralfiniteelementsoftware·-ANSYSisemployedtoanalysethemotorframeonEMUinspeedof200km／hbyFEAinthepaper．Accordingtotheanalyticalresults，thestaticstrengthandfatiguestrengthoftheframearecheckedreferringtoJISE4207andJISE4208．Secondly,Alargeoftestdataareprocessedinthepaper，andthenthefatiguestrengthofmotorframearecheckedaccordingtotheformercriterionsoffatigueaccessment，Atlast，thetworesultsindifferentwaysarecomparedandanalysedinthepaper,andwecanfinditnecesseritytoformulatecodefordesignandcalculationofthebogieflameinourcountry．Throu【ghthediverseanalysisandcomparationmethodsinthepaper，9millionkilometersservicingliferequirementofthebogieflameonCRH2EMUaretestifiedreliabily,meanwhilethecrucialprincipalsarealsosuppliedforreliabilityanalysisandfatigueaecessmentoftheEMUmotorbogie．AllofaboveareverysignificativeforthedevelopmentofhigIIspeedtraininChina．KEYWORDS：CRH2EMU，staticstrength，fatiguestrength，FEACI。ASSN0： 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：钕、导师签名：搿、签字日期：Ⅵ呷年，z月，歹日签字日期：≯莎7『年胗月停日 北京交通大学颈{：学位论文独创件声明独创·眭声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究一[作和取得的研究成粟，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表歧撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证书而使_I{j过的材料。与我一同j：作的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名；彳喜乙笔F、签字日期：≯毋7年J2月15" 致谢本论文的工作是在我的导师孙守光教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、试验项目的开展进行，到最后试验的最终成功，孙老师无不倾注了大量的心血。孙老师治学严谨、方法科学、见识卓越、气度恢宏，这些都给了我极大的帮助和影响，将使本人受益终生。在此衷心感谢这两年半年来孙老师对我的关心、鼓励和指导。在论文的完成过程中，还得到了缪龙秀教授、李强教授、谢基龙教授、刘志明教授、任尊松副教授、金新灿博士、王文静博士以及邹骅老师的悉心指导，正在他们的帮助下，我顺利地完成了实验室的科研工作。在此向各位老师们表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，机辆所的所有同学对我的论文工作给予了热情帮助，在此向他们表达无尽的感激之情。最后，衷心的感谢多年来支持、关心、帮助我的家人和朋友!他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通人学硕十论文1概述1．1选题背景及工程意义1概述从世界第一条铁路建成并开始通车，铁路逐渐成为了交通运输中的重要运输方式之一，随着各种运输方式的竞争，提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会发展的唯一出路。为此，从本世纪初至50年代，德、法、同等国都开展了大量的有关高速列车的理论研究和试验工作。铁路高速技术，至60年代已进入实用阶段，80年代又取得了一系列新成就、新突破，使铁路进入了新时代。由传统的机车牵引竞争集中配爱到动力分散配置的动车形式，列车速度能够大幅度的提高，铁路运输的要求提高也成为必然趋势。提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会形式，从而也成了各国发展高速铁路的一种趋向。⋯日本的高速铁路已经有40多年的历史了，1964年东海道新干线高速铁路正式开通投入商业，这为世界铁路开仓q了新纪元，也为当时的夕阳产业的铁路注入了巨大的活力。接下来的几十年里，山阳、上越、秋FFj等新干线相继修建成，当然仅修线路是不能解决根本问题，高速电动车组的不断更新使得平均速度和运量明显增加。从0系、100系、200系直到700系，最高速度都在200km／h以上，最高达到300km／h，从九十年代中期又相继推出E1、E2、E3等系列高速动车组。法国在1981年建成了他的第一条高速铁路TGV东南线，动车组时速达到270km／h；之后又建成了TGV大西洋线，时速达到300km／h。1990年5月13日试验的最高速度已达515．3km／b，可使运营速度达到400km／h。法国的高速铁路后来居上，在一些技术、经济指标上超过日本而居世晃领先地位。现在已有高速铁路1576公里，而且由于TGV列车可以延伸到既有线上运行，因此TGv的总通车里程已达5900公里。TGV动车组系列也经历了好几代的不断更新，目前法国已经研制出性能更高、速度可达350km／h的第四代动力分散式高速动车组。德国的铁路技术一直发展很快，20世纪60年代就开发了新型快速豪华旅客列车最高时速己达到200km／h。1989年，德国开始正式制造第一代1CE高速列车，并于1990年投入使用，1998年，第二代ICE高速列车研发成功，在今年8月1日，德国第三代动力分散型高速列车ICE3，正式投入法兰克福至科隆新型高速铁路线的商业运营，最高时速达到300km／h。目}；{『德国已经建成四条高速铁路，其中电气化铁路达1．9万公里。另外，西班牙、意大利、英国、瑞典等国家也开始运行高速列车。 北京交通人学硕七论文l概述1．1．1动车组是我国第六次大提速的必然趋势铁道部决定，于2007年4月18日起，实施全国铁路第六次大面积提速和新的列车运行图。在整个提速准备工作中，确保安全仍是提速调图的核心。铁道部实施了提速线路的全面技术改造，在京广、京沪、京九等主要干线全面推进提速基础工程建设，线路改造、道岔更换、牵引供电等提速基础工程基本完成，胶济线率先建成时速200公里提速示范线，线路基础的安全可靠性有了保障；我国自主研制的CTCS2列控系统的设备质量和技术性能均达到世界先进水平，基本满足200公里及以上提速要求；将既有线列车运行时速提高到200公里及以上，在一些发达国家有实践依据的，我们自己也进行了长期反复的科学试验，掌握了时速200公里及以上既有线提速的成套技术；按照时速200公里的提速要求，制定了时速200公里提速线路技术管理暂行办法，颁布了既有线提速200公里技术条件，制定了动车组运用检修技术标准。时速200公里及以上动车组的技术引进和消化吸收再创新工作，取得重大成果，具有世界先进水平的CRH系列国产化动车组陆续下线，基本可以满足实际运营的需要。这次大面积提速调图，对于提高铁路运输能力，缓解铁路“瓶颈”制约、适应经济社会持续快速发展需要，将发挥积极的作用。121目前全国从客运方面看，铁路开行的旅客列车每天提供座位241万，而日均实际运送旅客达到305力．，许多列车常年拥挤；从货运方面看，一个时期以来，全社会需要铁路装运的物资日均始终保持在28万--30万车左右，而每天实际只能装运10万车，满足率仅为35％左右，大量货物不能及时承运。扩大铁路运输能力，缓解铁路运输瓶颈制约，一方面要加快新线建设，不断增加运营线路；另一方面要采用技术先进、质量稳定、安全可靠的机车车辆装备，提高列车运行速度。可见提速已是大势所趋。【3l我们现在乘坐的普通列车是依靠机车牵引的，车厢本身并不具有动力，是一种动力集中技术。而采用了“动车组”的列车，车厢本身也具有动力，运行的时候，不仅仅是机车带动，车厢也会具有带动力，这样把动力分散，更能达到高速。可见，第六次全国范围内大提速应用动车组技术是运输能力上的要求，也是提高国民经济及人民生活质量的要求。我们应用动车组技术的时机已经成熟，已不只是口头上的方案．我们的准备已经很充分，在我国运行完全可行，因此动车组的运用是大势所趋。但是对于提速列车的疲劳寿命的可靠性估计还需要进一步的探讨研究。在以前低速列车运行时，疲劳寿命基本不存在什么问题，但随着近几年列车不断提速，疲劳问题成了人们不断关注的热点，这次动车组引进及再次提速不能不引起我们2 北京交通人学硕十论文1概述的高度重视。有这样的理论与实际经验，我们不能忽视对200km／h动车组的强度研究及寿命可靠性估计。1．1．2工程意义任何一种机械构件在设计及投入使用前都要进行强度校核，以保证其在服役过程中既能承受各种载荷，又能充分发挥材料的抗力。因此，构件在使用载荷下的疲劳强度评估和寿命估算已成为结构设计的重要课题。[al铁路是国家的重要基础设施、国民经济的大动脉和大众化交通工具。加快铁路发展，对促进经济社会发展，实现全面建设小康社会的宏伟目标具有重要作用。经过多年的努力，我国铁路事业取得了长足进步，但是目前铁路运输能力与运输需求的矛盾仍然十分突出，成为经济社会发展的瓶颈。机车车辆转向架是保障行车安全的关键部件。在列车运行过程中，转向架各部位所承受的实际应力是一个连续的随机过程，这种应力的峰值和谷值随时间变化的情况称作应力时间历程。在随祝应力的长期作用下，承载部件将不断产生疲劳损伤，当损伤达到～定程度，就会导致疲劳破坏，严重危及行车安全。我国在提速、高速车辆转向架的研制过程中，仍采用以安全系数保障强度的定值方法，因此存在着静强度富裕，疲劳强度不足，在现行的转向架疲劳试验中，也都采用高度简化的加载方法。随着近年来客车速度的不断提高，线路固有频率范围加宽，而转向架构架自重不断减轻，其固有频率降低，这样就导致构架的低阶弹性振型有可能处于线路的激扰范围之内，从而使构架的某些部位产生较大的动态变形。因此，转向架焊接构架的疲劳可靠性问题已成为一个迫切需要解决的问题。【5】世界各发达国家十分重视机车车辆关键构件的疲劳可靠性问题。北美铁路协会通过大量的调查研究和试验研究，在AAR标准中规定了车辆承载构件的疲劳试验标准；西欧各国则根据焊接结构的实际特点，制定了与实际较为接近的UIC标准：日本铁路部门对疲劳设计方法进行了深入的试验研究，提出了日本铁路轨道疲劳设计方法，并颁布了JIS规范。近年来，我国的提速和高速客车转向架设计开始采用国际通用的转向架结构疲劳设计规范UIC515．4，该规范规定适合于欧洲铁路平均运用条件。但是，由于我国铁路线路条件与欧洲铁路有着较大的差别，因此正确使用这一规范，首先要确定符合我国线路实际运营状况的疲劳设计载荷，也就是必须找到符合我国线路运营条件的动载荷系数，为今后转向架构架的设计提供可靠的载荷依据。【6J由以上可以看出：在引进外国动车组的情况下，在我国的线路上进行提速， 北京交通人学硕十论文1概述必然造成动车各部位载荷与在外国线路的不一致，所受的动载荷不同，可能造成疲劳可靠性的不一致。因此，我们必须对引进的动车需要进行迸一步的试验与理论的分析，然后进行比较和规范，使引进的动车在我国线路上安全可靠的运行。1．2本论文的主要任务1．2．1基本思想本论文结合铁道部“动车组技术引进消化吸收再创新”攻关项目——_‘‘高速动车组车体与转向架结构强度的研究”而展开，针对CRH2高速动车组转向架焊接构架的静强度和疲劳强度进行研究。本文结合实际工程项目，针对我国引进动车组技术的动车转向架焊接构架，应用有限元理论和焊接结构的强度理论，通过基于大型有限元分析软件ANSYS进行仿真和基于实测数据的等效应力的两种方法进行静强度和疲劳强度分析，依掘JIS转向架构架设计计算规范进行评价构架结构强度的可靠性，然后对两种分析结果进行比较分析，为我国制定设计计算规范提供依据。1．2．2本文构成本论文共分六章。第一章是概述。首先就对世界各国动车组研究及应用的现状作了介绍，然后说明了我国第六次大提速应用动车组的必要性、可行性及重大意义，最后说明本论文的的内容和设计思想。第二章是论文所用的基础理论与知识的介绍。首先对本文要进行分析的动车构架形式以及焊接构架的强度问题作了描述；然后对有限元理论的应用、大型有限元分析软件ANSYS以及前后处理软件Hypermesh对本文的作用进行了概述。第三章是通过计算设计规范进行构架的疲劳强度校核和静强度校核。首先对构架进行有限元模型的建立，然后对构架按照计算规范进行各种工况施加；最后对计算的结果应用JIS的规范标准进行疲劳强度和静强度的校核。第四章是通过实测数据对构架进行疲劳强度的校核，并对新线和既有线路的运行品质进行分析。主要通过对动车组进行大量的拉通试验，对试验的数掘进行分析处理并编谱，按照疲劳损伤理论对不同测点的结果进行等效应力求解进行疲4 北京交通人学硕十论文1概述劳强度的评价；然后对新线和既有线路的等效应力进行分析与比较分析。第五章是对实测结果与计算结果进行比较分析。通过比较可以保证计算与试验结果的可靠性，并能根据我国线路实测结果对外国的规范进行评价或修正，为最终我国能制定出自己的铁路车辆设计计算规范打下基础。第六章是结论。对本论文得出的结果进行总结分析，并根据当前我国铁路发展情况展望了我国未来铁路的光明前景。 北京交通J：学硕十论文2结构强度及有限元基本理论在进行本论文研究之前，本章对研究结构强度的基本理论、应用于分析结构强度的有限元方法以及所用的分析软件进行了描述，这些都是本论文分析的基础，对论文的分析具有指导意义。2．1焊接结构疲劳问题疲劳是金属材料在应力或应变的反复作用下所产生的性能变化，在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。它主要研究材料在交变载荷作用下的强度问题，研究材料或结构的应力状态与寿命的关系。“。人们认识和研究疲劳问题已经有一百七十多年的历史了，在不懈的研究材料与结构疲劳的奥妙中，对疲劳的认识不断的得到修正和深化。各国在大量疲劳试验与工程实践的基础上，先后制定了一系列的疲劳设计规范。我国疲劳研究开始较晚，但近三十年发展较快。二十年代七十年代。航空部门开展了飞机结构的疲劳可靠性研究，军工车辆近来也投入了一定人力、财力进行坦克等主要零部件的疲劳强度设计和评定，并有了很大进展。疲劳强度是转向架的基本要求，国外高速铁路发达国家都十分重视机车关键零部件的疲劳强度研究，目前在高速转向架焊接构架的疲劳强度设计方面，形成了欧洲铁路联盟和日本“铁路车辆用转向架构架设计通用规则”为代表的疲劳设计、评价系统，并以此为依据对转向架的疲劳强度进行评估、确定使用寿命。对于我国的疲劳强度研究起步较晚，但近三十年来发展较快。在铁路提速前，强度问题并没有显现得非常明显，但随着我国铁路的大提速，逐步显现出机车车辆结构强度不足的问题，有些甚至危及生命安全，我们也不得不引起重视。铁路机车车辆在不平顺的线路上形式，各部件都承受着交变载荷的作用，若按传统的方法设计，往往会发生疲劳坡坏。疲劳破坏只有在交变作用下才会发生，它的破坏不像静载破坏那样取决于结构整体，而是从应变或应力较高的局部开始形成损伤并逐渐积累，导致破坏发生。因此，局部性是疲劳的一个显著特征，而且零部件的应力集中处尝试疲劳破坏的起源，疲劳研究所关心的正是这些由几何形状或材料缺陷引起的应力集中的局部细节及细节处的应力应变，受交变应力的零部件或结构从一开始就进入疲劳的发展过程，裂纹萌生和扩展，是在这一过程发展过程中不断形成的损伤积累的结果，最终导致疲劳破坏。疲劳强度的影响因素主要可归结为三方面：材料的本质一化学成分、金相组6 北京交通大学硕七论文2结构强度及有跟元基本理论织、内部缺陷分布等：零件的状态一缺口效应、尺寸效应、热处理状况、表面处理、残余应力等：工作条件一载荷特征、环境介质、加载频率等。Is】焊接是现代理想的一种连接手段，相比其它手段，焊接更加经济、灵活。各工业领域都大量采用焊接结构，但焊接也存在着～定的问题，就是在交变应力的作用下，即使在低应力下也容易产生疲劳断裂，统计分析，由于疲劳时小的金属中，90％的都是由于焊接结构造成的。焊接承受静载能力并不低于木材，而承受动载的能力却远低于母材。主要因为焊接工艺的问题将造成疲劳强度的下降。动车转向架构架同样也是以欧焊接方式连接的，因此焊接构架的疲劳强度也将把重点放在焊接部位的强度上。焊接接头疲劳强度主要受下面几种因素影响。1应力集中这是结构疲劳特征主要的因素，由于焊接接头不可避免的存在应力集中点，所以疲劳破坏很可能出现于接头部位，各种接头的应力集中虽不尽相同，但影响都是非常明显的，所以应力集中的严重程度将决定构架的疲劳特征。2焊接缺陷在焊接接头可能存在很多缺陷，缺陷会造成严重的应力集中，对焊接的疲劳强度造成显著影响，影响程度与缺陷的种类、位置和方向有关。面状缺陷引起严重应力集中，比体积缺陷对疲劳强度的影响大：表面的缺陷比内部缺陷对疲劳强度的影响大；位于应力集中的比位于均匀处的应力场同样缺陷对疲劳强度的影响大；用作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷对疲劳强度的影响大。3焊接残余应力焊接残余应力于平均应力相当，并且有时是自相平衡的内力，总体影响不明显，但当高残余应力于焊接结构应力集中点重合时，参与应力对疲劳强度的影响是毫无疑问的。随着加载过程变化会逐渐被释放，影响也会逐渐减小，残余应力可以通过退火或喷丸进行消除改交。对于焊接构架的整体结构，影响其疲劳强度的主要因素有：应力幅值、应力循环次数以及细节设计。应力幅值与应力循环次数与车辆的运行状况有关，细节设计主要是在构架设计时不断改善，如加强筋等。在CRI-12动车转向架构架设计时，对原车型进行了一些改进，如为消除零件内部缺陷隐患，轴箱转臂定位臂座采用厚钢板焊接结构设计。鉴于该转臂座是连接一系悬挂与构架的关键承载件，针对厚钢板，按照日本焊接协会的标准增加了沿厚度方向的拉伸试验要求；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；同时，为提高构架疲劳强度，横梁上各吊座与横粱之间焊接，均要求对关键焊缝进行严格打磨处理。 jb京交通人学硕十论文2坌占佝强度及有限元基本理论2．2有限元基本理论2．2．1有限元基本思想有限元法(FiniteElementMethod)也称为有限单元法，是60年代以来发展起来的求解复杂工程问题的一种近似数值解法，是计算机时代的产物，可以说是作为数值模拟技术的最成功的方法。{9J虽然有限元的概念早在40年代就有入提出，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。首先在飞机结构计算中提出用离散的有限单元体来代替连续体求解的基本思想和方法，但是由于计算机尚未迅速发展，有限元的使用和发展受到了很大限制。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闯题有限元法，可以说是对问题的一种物理近似法，它与差分法不同的是，它不涉及原有的微分方程，而是从能量原理出发，对结构进行离散化处理。即把连续的弹性体设想为由许多，有限个单元组成，这些单元形状简单，每个单元上有若干个节点，各个单元仅在节点处按一定方式相互联系，相互作用。与此同时，把用连续形式描述的边界条件看作是只需在边界上若干个节点应当遵守的条件。此外，还把结构所受的各种载荷按一定方法化为等效的节点载荷。实际上，这就是把无限自由度的连续体的力学计算变成在有限多个节点上某些参数的计算。有限元法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～起的单元的组合体，简称离散化。【10】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彳牛，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 北京交通人学硕士论文2结构强度及有限元基本理论移作为基本未知量。并对每个单元根掘分块近似的思想，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，假设代表单元物理行为的形函数，即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。有限元分析的基本流程如下图2．1所示：图2-1有限元分析流程Fig．2—1Finiteelementanalysisflowprocess以位移作为基本未知量的单元作为各大型通用程序是最常用也是最广泛应用的，从位移经过求导得到的应变和应力相对精度较低，从工程角度考虑，应采9 北京交通大学硕十论文2结构强度及有限元基本理论取实际可行的方法来处理和改善。应用位移元进行有限元分析时，未知函数场是位移，对于应力解，单元之间的交界面上一般不连续，而是在真正解的上下振荡，因此同一个节点，有围绕它的不同单元计算得到的应变值和应力值是不同的，这样，需要对计算得到的应力进行处理，以改善结果。通常的处理方法有三种，即：取围绕节点个单元应力的平均值、总体应力磨平和单元局部应力磨平法。一般情况下，采用单元局部应力磨平法可以得到较好的效果，而且计算量较小，所以得到很广泛的应用。【ll】2．2．2有限元软件及应用对于一些理想的简单的弹性体，可以应用结构设计分析理论，得到其精确的解而对于复杂的弹性结构的应力、位移等分析问题时，要求精确解甚至是不可能的，在这种情况下，需将连续模型离散为只有有限个自由度的系统，并由此求出连续系统的近似解的方法就成为工程中一种切实可行的重要途径，有限元法即为其中的一种方法。有限元方法在不断的发展过程中，不断地应用到各个领域，如结构工程、结构力学、宇航工程、结构的动态响应、流体力学、传热学、士力学、岩土力学、温度分布、电磁学等。正是由于计算机技术的飞速发展，才使得有限元方法的应用如此广泛和普及，使之成为了最常用的分析工具，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。正由于有限元方法在科学研究和工程分析中的作用和地位，关于有限元方法的研究已成为数值计算的主流，目前，专业的著名的语限元分析软件有十几种，通用的有ANSYS、NASTRAN、MARC、ABAQUS、IDEAS等，专用的有LS．DYNA、DEFORM等涉及有限元的杂志有几十种之多。对于本文所涉及的动车转向架的构架就是一个典型的结构力学问题，因此应用有限元理论知识来解决构架强度问题既方便又可靠。ANSYS是一个通用的有限元计算机程序，我们能够应用ANSYS进行各种静态、动态、热传导、流体流动和电磁学分析。ANSYS是一种广泛的商业工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态。进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂。受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。ANSYS软件在工程士应用相当广泛，在过去20多年罩，ANSYS是最主要的FEA程序。在机械、电机、土木、电子及航空等领域都能达到某种程10 北京交通人学硕士论文2结构强度及有限元基本理论度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低成本，缩短设计时间。本论文的结构强度分析就是应用ANSYS进行计算分柝的。【12j随着计算机性能的飞速发展，有限元法越来越多的用在大规模的数值模拟计算中。从有限元计算的整体程序来分析，一般前、后处理的工作量远远超出有限元主处理部分的运算工作量。对于形状和边界条件复杂的问题来说，人员的主要工作量都花在对象的分割网格，其次是结果的处理，而主处理所需的时间一般只需全工作量的1％到lO％。就算是对大规模的工程计算，虽然所需的运行时间为好几天，但是都是计算机上运行，不需要专门人员。由于解析方法的变化，解析对象的复杂化，现使用的有限元前后处理程序还不能完全的满足用户要求。对盼处理系统来讲，网格划分是否合理不仅直接影响到计算工作量还会影响到有限元分析的精度与求解速度。不合理的网格划分甚至导致有限元数值计算的发敌和失败。网格的质量太差甚至会中止计算过程，直观上看，若网格各边和各个内角相差不大，网格不过分扭曲，边角点位于边界等分点附近，则网格质量较好。对于ANSYS中的复杂结构，通常采用自动分网，但这样的划分容易产生变形，主要原因有两个：一是几何模型复杂，在一些扭曲的表面、过度面等不规则或尺寸相差较大的区域容易引起变形：二是网格的疏密相差较大，过度距离又较小，这时在过渡区域容易产生较大的网格变形，因此设置合理的网格尺寸非常重要，而ANSYS划分网格的功能对复杂的转向架构架并不是很理想。ANSYS设计的数据访问模块可与大多数CAD软件集成如Pro／Engineer,NASTRAN，以及AutoCAD，SolidWorks等，建立的摸型输入ANSYS程序中，避免了重复建模工作，然后读入到ANSYS中的模型进行分析。由于ANSYS的无缝接口技术，使得前后处理的问题得到了很好的解决，如本文中的构架实体建模采用了广为应用三维实体软件SolidWorks进行建模，方便有效。在完成构架模型造型后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元划分并进行分析计算，极大地提高了设计水平和效率。对于网格问题由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大提高，但在有些方面却一直没有得到改进。由于ANSYS的无缝接口技术，可考虑单独为某一个有限元分析程序服务的前处理模块，并与有限元程序集成为一套完整的有限元分析系统。Hypermesh；是--个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元模型，并且与多种CAD和cAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。对于输入的几何模型如果含有缝隙、不对齐的现象，这就妨碍了网格自动划分器生成高品质的网格。应用Hypermeshg-I以对这些问题进行抑制、修改，从而提高 北京交通人学硕十论文2结构强度及有限元基本理论整体网格划分的质量。Hypermcsh为用户提供了一套完善而又易于使用的工具程序，用户可以使用各种网格生成工具及网格自动生成来创建二维和三维有限元模型。经过网格自动划分模块后，不适当的地方还可以根据用户需求对每个面或每个面的边缘进行网格参数的调节，而且可以调节单元的密度、单元偏执梯度、网格划分算法。Hypermesh能够用一阶和二阶四厩体单元对一段封闭区域自动划分出高质量的单元，含提供了多种三维单元生成方式来构建高质量的四面体、六面体网格。Hypermesh提供了多种形式的网格质量检查菜单、网格质量修改工具，使用户可以实时控制单元质量。尤其在焊接部位的网格控制上，更应做到很好的光滑过度，防止由于尖角等造成应力集中使得计算时结果过大。【l习本章小结本章主要对全文分析应用到的理论知识进行了描述。首先，介绍了焊接结构的疲劳强度问题，主要从焊接结构的特点出发对焊接结构产生疲劳的原因进行简要地分析，这是本文研究的重点内容之一：其次，本论文对研究构架结构强度的有限元法进行了描述，主要是有限元的思想和有限元软件的应用，并对有限元软件应用中的问题进行了讨论处理。本章的理论和方法在本论文的研究和分析中都起到了指导作用。12 北京交通人学硕十论文3动车构架的结构强度仿真分忻3动车构架结构强度仿真分析3．1仿真分析过程构架结构强度仿真分析主要分以下三步进行：l有限元建模：根据构架实际结构尺寸，借助于有限元软件ANSYS建立构件的有限元结构模型；2计算规范研究：通过对JIS规范中计算载荷及各种工况的研究，确定有限元模型所需要的边界条件、载荷以及所加的各种工况；3工况计算结果评价：计算各种工况，将得到的结果按照评价规范进行平均应力和应力幅的组合，根据组合结果评价构架的疲劳强度。3．2有限元模型建立3．2．1实体模型基本参数⋯】CRH2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、横梁及空气弹簧支承梁等构成。CRH2动车转向架焊接结构是以主要技术参数为依据的，在此基础上对焊接构架进行包括强度等方面的设计计算，满足要求之后确定构架的整体结构，其与本论文相关主要参数如下：连续运行速度：200km／h动车转向架质量：7364kg动力转向架簧下质量：2000kg定员最大轴重：16t空气弹簧横向跨距：2460mm轮对定位方式：弹性节点转臂定位弹性定位节点刚度(每轴箱)：纵向：13．7MN／m横向：5．49MN／m垂向：1-244MN／m弹簧型式：一系螺旋钢弹簧二系空气弹簧寿命：20年 北京交通人学硕七论文3动乍构架的结构强度仿真分忻动车转向架原型车转向架采用双拉板式轮对轴箱定位结构，在横粱下设计了铸钢材质的悬臂式拉板座，由于CRH：转向架～系悬挂定位方式的设计变更，因此每侧构架侧梁的底都改为两个焊接结构的带有梯形槽的定位臂座。侧梁内设有筋板，提高侧梁承载刚度，并在侧梁外侧及两横梁间设计了空气弹簧支承梁，两支承梁分别与两横粱连通，共同作为空气弹簧的附加气室。靠近横梁与侧梁的连接处为四个轮盘制动吊座。两横梁之间设纵向连接梁，主要用于吊挂增压缸和设置横向减振器安装座及横向缓冲挡安装座。动车转向架和拖车转向架构架的主要区别在于横梁中央外端的安装座，动车构架横梁外分别为电机吊座和齿轮箱吊座，其中--N横梁上的电机吊座与牵引拉杆安装座采用一体设计，而拖车构架横梁中央外端为两个轴盘制动吊座。为保证动车组20年的使用寿命，在满足强度要求的前提下为降低转向架自重，构架的主要承载构件采用了符合日本JISG3114标准的牌号为SMA490BW焊接结构用耐候钢材料，其它部位的材料则采用了国产Q345C低合会结构钢。为消除铸造零件的内部质量缺陷隐患，构架不采用铸钢构件，其它主要承载吊座采用锻造结构。转向架构架在焊接完成后，进行整体退火处理和整体机加工。构架的强度等设计按照日本JISE4207(铁路车辆．转向架构架设计通则)标准进行：并按照日本JISE4208(铁路车辆．转向架静载荷试验方法)标准实施静载荷试验来进行强度确认。根据上述的主要技术参数，动车转向架的结构都是按照规范进行的强度和刚度的校核来设计的。对于动车转向架构架的结构如下图3—1所示：l侧梁2横梁399向连接梁4空气弹簧支承梁5制动吊座6定位臂座7增压缸安装座8电机吊座9齿轮箱吊座图3．1动车转向架焊接构架。g．3—1Theweldedframeofthemotorbogie14 北京交通大学硕七论文3动车构架的结构慢度仿真分析l侧粱侧梁采用由四块SMA490BW耐候钢板组成箱形断面的焊接结构，侧梁内设置了厚度为6mm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0206的圆孔，以便横梁通过。侧梁两端采用简体结构，支承在轴箱弹簧上。厚度12ram的筒壁与侧梁梁体厚度8mm的腹板采用厚度渐变的对接焊缝；上盖板厚度为22mm，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。轴箱弹簧筒体外轴箱减振器座，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，在转向架迸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。侧梁结构如下图3．2所示：图3-2侧梁Fig．3·2Thesidebeam2横梁构架横梁采用无缝钢管型材，横梁材质同样为SMA490BW咐候钢管，表面经酸洗磷化处理，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和排水孔。图3-3横粱及纵向连接梁Fig．3—3Thecrossbeamandthelongitudinulbeam动车横梁斜对称布置两电机吊座和齿轮箱吊座；动车两横梁上的电机吊座略有差异，而朝向车端方向的电机吊座在基本结构的基础上将牵引拉杆座与之设计15 北京交通大学硕+论文3动车构絮的结构强度仿真分析为一体。为了方便吊座与横梁的焊接作业和降低自重，在电机吊座的安装板上开设有圆形或上圆形孔。在横梁上与牵引电机相对的另一侧为齿轮箱吊座，齿轮箱吊座下盖板上设一安全挡座，在安全挡座问安装挡销，起到在故障工况下齿轮箱的安全保护作用。朝向车体中心方向的横梁中央内侧设有垂向限位止挡，其作用是一旦空气弹簧过充风，构架侧的牵引拉杆在随车体上升约70mm时最终被该址挡限止，因此也被称为防过充止挡。横梁结构组成如下图3．3所示。3纵向连接梁连接梁材质采用耐候钢板SMA490BW。为提高构架刚度，在两横梁之间由纵向辅助梁连接，其上安装有横向减振器座、增压缸架和横向缓冲器座等。在两横梁之间为两个纵向连接梁，其目的一是连接两横梁，以提高横梁的刚度，二是为设置横向减振器安装座和悬挂制动增压缸。纵向连接梁结构组成如图3，3所示。4空气弹簧支撑梁空气弹簧支撑梁位于侧梁外侧的两横梁之间，由三块板组焊而成的槽形结构，它与侧梁外侧腹板组成的密闭腔，与横梁内腔相通，共同组成空气弹簧的附加空气室。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，导筒与相应的横粱相连通，保证空气弹簧附加气室的容量达到约70升(如图3—4所示)，因此，空气弹簧支承梁的焊接有较高的密封性要求，在与整个构架焊接完成后要分别进行水压和气压试验。图3．4空气弹簧支撑梁Fig．3-4Theairspringbearingbeam对于构架上的其他结构如制动吊座(轮盘)、定位臂座、增压缸安装座、电机吊座、齿轮箱吊座均是焊接在横梁、侧梁或纵向连接梁上的，用于固定不同的部件，具体位置在介绍上述几个部件时已说明。3．2．2构架结构离散模型16 北京交通人学硕十论文3动车构架的结构强度仿真分析根据动车转向架构架结构的基本参数，对动车构架用SolidWorks进行三维实体建模，由于设计图纸未对焊接部位迸行处理，所以在对构架进行实体建模的时候应对结构的焊接部分作过渡处理、去处应立集中小孔等，这样能够防止在计算时由于应力集中造成的结果偏差，对后面计算分析得到正确提供保证，也为与试验数据结果比较得到可靠结论提供保证。综合考虑整个构架的计算量、计算精度及构架结构的实际隋况，选定构架整体作为有限元离散模型，对结构的离散模型采用十节点二次实体单元Solid92，构架的材料为SWA490BW型的钢材，故材料的弹性模量为2e5，泊松比为O．3，并且视线弹性、各向同性的材料。有限元网格通过大型前后处理软件Hypermesh进行划分并根据焊接结构以及尖角处的不同情况进行处理。网格数量决定了计算结果的精度和计算的规模，网格数量越多，结果越精确，反之，越不精确：网格数量少，计算时同越短，反之，时间越长。权衡两者的关系，最终离散出的节点数为356310个，单元数为180307个。构架结构计算模型的质量为与实际结构质量十分接近，由于建模时，焊缝的重量和一些对计算无关紧要的座被简化的原因，所以实际质量与构架的模型质量略有差别。构架有限元离散模型如图3-5所示。图3-5构架有限元模型Fig．3—5Thefranle’sfiniteelementmodal3．3．3边界条件确定实际产品的结构都不是单独存在的，它们必然和其他外界发生相互作用a进行有限元分析时，往往将所关心的结构抽象出来分析，分析结构与其它结构的连接关系通常由边界条件来考虑，将实际工况转化为模型边界条件也是有限元建模的关键环节之一。边界条件是否符合实际，对计算结果的精度影响很大，若处理不当将会引起较大误差。所以在施加边界条件时应根据工况复杂程度及实际的约 北京交通人学硕士论文3动下构架的结构强度仿真分析束情况来施加。本文建立构架有限元分析模型时，在不影响应力分布的情况下，依照约束都尽量与实际相～致的原则，对约束情况进行适当的简化。由于动车组的转向架采用转臂方式使轮对与构架连接，所以构架的各种约束也可相应通过模拟转臂的方式担当。构架的垂向约束用模拟转臂上轴箱弹簧弹性支承的弹黄单元担当；构架的纵向约束和横向约束用转臂的臂端单元来担当。对于三相的约束在ANSYS中均采用弹簧元单元Combinl4建立，并为全约束。根据以前经验及动车构架与外界的相互作用情况，可以保证这样的边界条件在有限元分析可行。综上，本章通过对整个构架结构分析及边界分析建立了构架的有限元模型。构架主体为实体焊接结构，主要采用十节点二次四面体单元Solid92进行离散；对于边界条件，采用全约束的弹簧元单元Combinl4另外，在牵引电机和制动时由于考虑到电机质心、制动力的作用点的位置，本处采用的是梁单元Beaml88进行模拟。所有单元统计数据如表3．1所示：表3-1有限元模型单元表Table3。1Theelementsofthefimteelementmodal单元类型Beaml88Solid92Combinl4单元尺寸(mm)33025300单元数3218030796结点数3563103．3构架结构强度评价标准随着铁道车辆速度的提升及安全保障问题，铁道车辆关键零部件尤其是转向架构架的载荷条件、强度以及结构等共同的设计条件，有必要加以标准化。目前，国际上比较通用的转向架构架强度的规范主要有两种：一种是国际铁路联盟的UIC规程：另一种是日本工业标准调查会审议的JIS通则。我国还没有制定高速列车转向架构粲强度设计计算规范，主要规范有2001年8月铁道部科教装的((200km／h及以上速度级铁道车辆强度及试验鉴定暂行规定》。本论文研究的CRH2动车组是从日本川崎重工引进的，因此本论文在进行动车构架结构强度分析评价时选取了JIS的设计计算规范作依据。动车组构架的强度设计，是依据开本JISE4207(铁路车辆一转向架．转向架构架设计通则)标准，并配合使用另一标准JISE4208(铁路车辆一转向架静载荷试验方法)进行的。JISE4207标准规定了设计上的通用条件，这些通用条件分为载荷条件、强 』￡京交通人学硕士论文3动车构架的结构强度仿真分柝度设计条件、结构设计条件及刚性设计条件。其中载荷条件分为静态载荷和动态载荷：强度设计条件分为应力计算及许用应力。在构架上作用静载荷和动载荷的情况下，按每种载荷条件来计算应力，并通过一定的方法进行应力合成得到平均应力和应力幅值。该标准于1988年制定，2002．2003年经日本铁道工业会成立的铁道车辆一转向架一载荷试验方法JIS原草案编制委员会先后五次审议。编成JIS草案，后经过日本工业标准调查会的例行审议，于2004年6月颁布。JIsE4208标准对铁路车辆用转向架构架及摇枕或其它承载构件进行强度确认时，所使用的静载荷试验方法进行了规定，该标准一般与JISE4207配套使用。3．3．1构架的载荷条件1静载荷条件静载荷条件是指车辆在停止状态下转向架构架所承载的载荷。主要由一个转向架所承载由车身质量所产生的载萄、一个转向架所承载的由装载质量(包括乘客、水、燃料、蓄电池、食品、行李等)所产生的载荷、由转向架构架以及转向架构架部件的质量所产生的载荷组成。2动载荷条件动载荷条件是指车辆在运行状态下，转向架构架所承受的载荷，分为静载荷与附加系数的积所表示的载荷以及安装部件的特性所决定的载荷，其大小通常如表3．2所示，其表中符号：w为构架上的静载荷，L。为安装的零部件的自重，L．为轴重，P为闸片压力，f为闸片与制动盘问的摩擦系数。另外，根据实际适用的附加系数的大小以及部件的特性所决定的载荷大小需要考虑线路条件及车辆的实际振动和预测振动的大小。按照动载荷设计条件和用于评价结构强度的平均应力与应力幅的工况参数计算得出动车构架工况的动载荷(包括驱动和制动)设计计算工况如下：(1)一个垂向载荷工况；(2)两个扭转载荷工况；(3)两个纵向载荷工况；(4)两个横向载荷工况：(5)两个制动载荷工况；(6)两个齿轮箱载荷工况；(7)一个牵引电机载荷工况。动载荷工况数总计为12种，并且标准中对上述的每一工况载荷的加载方法、 北京交通人学硕+论文3动市构架的结构强度仿真分析位置和方向等内容有详细的规定。115]表3-2JISE4207对动载荷的规定Table3—2ThedynamicloadintheJISE4207分起因动载荷备注(例)类由静载荷垂直振动产生的载荷(o．2～O．5)×w侧梁上(1～2)×L。制动件由安装零部件的振动垂横梁上(3～5)xL。牵引电机，驱动装置引起的载荷端梁上(5～10)xL。制动件，排障器向由驱动引起的载荷(O．2～0．4)×L。齿轮箱吊架、减速机支架由制动引起的载荷Pxf单元制动器、圆盘制动器横由横向振动和离心力引起载荷(o．2～O．4)xW横向止挡橡胶向由安装的零部件振动引起载荷(2--4)×L。牵引电机，制动什由级向振动和牵引力引起载苟(O．2～O．4)×w纵由安装的零部件振动引起载荷(1--3)×L。牵引电机，制动件向由制动引起的载荷P按转向架对角车轮相对扭由外轨超高等引起的载荷水平位置变位10到转15ram时的静载荷计算对于载荷大小以及加载的工况情况均是根据规范得出：垂直静态载荷是根据定员200％自n载的；垂直动态载荷为垂直静态载荷的0．3倍，而且加载的位置相同，在计算时可只施加静载荷，对于动态载荷结果可在后处理时进行运算；对于纵向载荷、横向载荷均为垂向静态载荷的0．3倍；扭转载荷是通过对角加垫片的方式达到与实际的吻合：齿轮箱载荷为最大滑动扭矩：制动载荷是4．02km／h／s的最大减速度：牵引电机的载荷是牵引电机的lO倍重量。构架所承受的载荷，包括静态和动态载荷。根据JISE4207中得出转向架构架设计计算载荷条件如下表3—3所示。有些载荷条件出现构架1位、2位、3位、4位的位置，这些均按照标准定义，具体定义如下图3—6所示： 北京交通大学硕士论文3动乍构架』}勺结构强度仿真分析图3-6动车转向架构架相位位置Fig．3-6Thelocationofthephaseintheframeofthemotorbogie按照JIS的标准，综合考虑了静态载荷与动态载荷的加载情况，总计列出13种计算工况，其中包括仅在驱动时具有的齿轮箱载荷工况和仅在制动时具有的制动载荷工况。由于驱动与制动时的各工况的组合不同，所以在分析时需根据标准不同情况进行组合，然后利用材料的疲劳极限图进行疲劳强度评价，这些将在后面的结构强度评价部分详细描述。表3．3各．【：况下计算载荷Table3—3Thecalculation10ad0neachWOrkcondition载荷条件计算载荷施加位置及方向垂直载荷(静态)274．4ld寸空气弹簧上垂直向下垂直载荷(动态)82．3kN空气弹簧上垂直向下扭转载荷1274．4kN对角l、3位的一系弹簧加12mm垫片扭转载荷2274．4kN对角2、4位的一系弹簧加12mm垫片纵向载荷l82．3l小J牵引拉杆座指向前纵向载荷282．3ld呵牵引拉杆座指向后横向载荷l82．3kN左侧横向止挡向左横向载荷282．31dq右侧横向止挡向左制动载荷126．6ld町制动吊座1、3位向下，2、4位向上制动载荷226．6ld寸制动吊座2、4位向下，1、3位向上齿轮箱载荷I50．7ld呵齿轮箱电机l位向上，4位向下齿轮箱载荷250．7ld呵齿轮箱电机4位向上，1位向下牵引电机载荷43．6Id町牵引电机吊座上向下2l j￡京交通人学硕七论文3动牢孛句架的结构强度仿真分析3．3．2构架的强度设计计算条件l应力计算应力计算是指按照载荷种类计算转向架上加载静载荷及动载荷的应力，并划分为平均应力及应力幅加以合成，具体合成方法如下所述。(1)平均应力平均应力是指按静载荷的种类分别计算出的各应力的代数和，但具有脉动载荷时的平均应力，应把脉动载荷应力的1／2加到静载荷产生的应力上去，作为静载荷工况下的平均应力。根据己知载荷条件的12种工况，分别考虑驱动与制动时的情况，用a。表示平均应力，则：驱动时的平均应力计算公式为：B+CD+EF+GI+J”A+T+丁+T+了(3-1)制动时的平均应力计算公式为：B+CD+EF+GK+I．％2A+T+T+T+T(3-2)其中，A；垂直载荷应力；B、c：扭转载荷应力；D、E：纵向载荷应力；F、G：横向载荷应力；I、J：齿轮箱载荷应力；K、L：制动载荷应力。(2)应力幅应力幅是指动载荷应力的合成数。动应力为动载荷产生的应力，根据通则按下式进行计算aa=J。}+a；+。；+⋯+。；(3-3)公式中，q为各种工况组合叠加的应力幅；01、吧⋯。ll为由各动载荷计算的动应力。对于脉动载荷所产生的应力ai，则用该应力的I／2进行合成，即：％：再瓣根据已知载荷条件的12种工况，分别考虑驱动与制动时的情况，驱动时的应力幅计算公式为：(3．4) 北京交通人学硕士论文3动车构絮的结构强度仿真分析制动时的应力幅计算公式为：(3．5)(3—6)其中，H：牵引电机载荷应力，公式中的其它符号与上面的注释一致。2许用应力用于评价构架疲劳强度的许用应力是由构架的材料所决定的。对于CRH2动车组转向架构架的材料依据JISG3114标准，材料为型号SMA490的焊接结构用耐候型热轧钢材。根据使用技术规范，构架所用材料的抗拉强度、屈服点如下表3—4所示：表34使用材料及机械方面的性能(JigG3114)Table3--4Thepropertiesaboutthematerialsandmechanics(．IISG3114)使用材料屈服点(MPa)抗拉强度Ob(MPa)SMA490’355490表中符号％为材料的抗拉强度，在疲劳极限图中母材、修磨后、未修磨的三条疲劳许用应力的直线交于此点。根据使用技术规范，转向架构架所用材料的屈服许用应力及疲劳许用应力如下表3—5所示：表3．5材料的许用应力及疲劳许用应力Table3—5Thematerial’Sallowancestressandfatigueallowancestress项目应力值(MPa)材科的屈服许用应力【a0】305母材(awl)155疲劳许修磨后(Ow2)110用应力焊缝未修磨(O"w3)70表中符号啊、Ow2、Ow3分别为母材，修磨后和未修磨焊接接头在对称循环下的疲劳许用应力，是绘制疲劳极限图的重要参数；材料的屈服许用应力[00】，是用来评价静强度的标准。 北京交通人学硕七论文3动乍构絮的结构强度仿寅分析根据材料性能及技术规范要求的Goodman疲劳极限图如下图3．7所示，‘350—300—。250—200—。150—。i00—50050100150200250300350’平均戍力(MPa)圈3．7母材、朱修磨和修磨后焊缝的疲劳极限图Fig．3-7Thefatiguelimitfigueaboutbasemetal．non—copingandcopingbead疲劳极限图是以材料的屈服许用应力为纵坐标和横坐标，构成一个等腰三角形，在其纵坐标上截敬母材、未修磨焊缝、修磨焊缝的疲劳许用应力，分别与横坐标正向的抗拉强度相连，得到的线图即为母材、未修磨和修磨后焊缝的疲劳极限图。对于疲劳破环只有在动应力下才能引起的，而且是一个发展过程，即从车辆一开始使用就进入了疲劳的发展过程，并不断形成损伤的累积，直至裂纹萌生扩展、最终断裂，而且与母材静强度无关，但从Goodman疲劳极限图上可以看到，在评价疲劳强度时，平均应力与应力幅是相互对应的，而且平均应力的大小对结构的疲劳强度的许用应力有很大影响。3筋板疲劳强度评价方法在对构架表面焊接部位评价疲劳强度时，可根据图3．7的应力极限图进行。但此方法不适用背部焊接部位的评价，这包括了本文要讨论的内部筋板的疲劳评价。对筋板这样焊接部位，在JISE4207附属资料中也给出了一些参考方法。在转向架的主构架背面存在像内部加强筋等从正面看不到的焊接部位，在这些位置不能应用上述方法，而是采用社团法人日本钢结构协会的疲劳设计准则，根据构架正面的应力值来评价强度的。该准则中的疲劳极限图，基于大量的疲劳试验结果，将各种接头划分为A、B、C、D、E、F六个强度等级，并按等级设计曲线及应力范围截至极限。当应力范围最大值不超过等幅应力截止极限，则判断没问题。对于动车构架中的筋板，均为T字形焊接或斜交形焊接，且非打磨，根据标准的强度等级为E等级。对于转向架构架结构方面，目前评价样本数量极少，其数据不足以制定转向 北京交通人学硕士论文3动1佝架的结构强度仿真分沂架构架用的疲劳设计曲线，关于疲劳设计曲线可以应用等幅应力范围极限加以评价。根据本章上述的分析，首先通过分析动车组动车转向架构架的结构、与外界相互作用的边界条件以及构架的材料建立了有限元模型，确定了静强度与疲劳强度分析对象的结构；然后对评价焊接构架强度的规范JIS所要求的各种工况参数进行了计算整理，确立了用于评价疲劳强度规范要求的Goodman疲劳极限图以及用于评价静强度与疲劳强度的许用应力。综上，用于计算构架应力的前处理工作以及评价计算结果的规范都己备好，接下来将进行构架各工况的应力计算及强度的评价。3．4构架各工况的应力计算结果根据规范中的13种计算工况进行加载，计算的最大等效应力值以及对应最大值的位置如下表3-6所示，表3．6各工况的等效应力计算结果与最火点位置Table3—6VonMisesstressresultsandthelocationofthemaxpointineachworkcondition计算载荷等放应力结果(MPa)最大点位置毋直载荷(静态)1005定位臂与侧梁连接处秀直载荷(动态)30．2定位臂与侧梁连接处扭转载荷124．6齿轮箱吊座与横粱连接扭转载荷221．6齿轮箱吊座与横粱连接纵向载荷178，0牵引拉杆吊座上纵向载荷276．8牵引拉杆吊座上横向载荷191．4横向止档与小纵梁连接处横向载荷288．7横向止档与小纵梁连接处制动载荷199，8制动吊座与横梁连接处制动载荷297．4制动吊座与横梁连接处齿轮箱载荷I66．3齿轮箱吊座上齿轮箱载荷265．1齿轮箱吊座上牵引电机载荷71．4牵引电机吊座上选取典型工况进行说明。并附上等效应力结果云图见图3—8～图3一14所示， 北京交通人学硕士论文3动下构架的结构强度仿真分析l垂直载荷(静态)工况：最大等效应力为100．5MPa，出现在定位臂与侧梁连接处：圈3-8垂直载荷(静态)j[况的等效应力云图Fig．3—8Theeqmvaleneestrcssintheverticalload(static)workcondition2扭转载荷l工况：最大等效应力为24．6MPa，出现在齿轮箱吊座与横梁连接处图3—9扭转载荷1一【况的等效应力云图Fig．3—9TheequivalencestressiIlthedistorslonload1workcondition 北京交通人学硕十论文3动7l三构架的结构强度仿真分析3纵向载荷1工况：最大等效应力为78．0MPa，出现在牵引拉杆吊座上；图3．10纵向载荷1I况的等效应力云图Fig．3—10Theequivalencestressinthelongitudinalload1workcondition4横向载荷1工况：最大等效应力为91．4MPa，出现在横向止档与小纵梁的连接处：图3—11横向载荷1工况的等效应力云图Fig．3．11TheequivalencestressinthetraDsverseload1workcondiuon 北京交通人学硕士论文3动币构架的结构强度仿真分析5齿轮箱载荷1(驱动时)工况：最大等效应力为66．3MPa，出现在齿轮箱吊座上：图3．12齿轮箱载荷l(驱动时)．T况的等效应力云图Fig．3—12Theequivalencestressinthegearboxload1workcondition6制动载荷1(制动时)工况：最大等效应力为99．8MPa，出现在制动吊座与横粱的连接处；图3．13制动载荷1(制动时)一[况的等效应力云图Fig．3—13Theequivalence$仃essinthebrakingload1workcondRion 北京交通人学硕七论文3动车构架的结构强度仿真分析7牵引电机载荷工况：最大等效应力为71．4MPa，发生在牵引电机吊座上。图3—14牵引电机载荷下况的等效应力云图Fig．3—14Theequivalencestressmthepullingmotorload1workcondition3．5静强度及疲劳强度评价根据疲劳极限线图3，7、材料的抗拉强度、屈服点表3—4以及许用应力及疲劳许用应力表3．5得到母材、修磨后与未修磨焊缝对应点的许用应力公式，母材对应各点的许用应力(MPa)：【ol】一蔷om+155(3-7)修磨后焊缝各点许用应力(MPa)：[02】--击om+110(3-8)未修磨焊缝各点许用应力(MPa)．-[031一蔷。m+70(3-9)对于动车组动车的驱动与制动的结构强度按规范应分开进行评价，分别对驱动时与制动时所计算的各个工况进行按规范进行组合，得到了驱动和制动时各自的平均应力、应力幅和组合叠加后的最大应力，计算的最大等效应力值和对应最大点的位置如下表3．7所示。 北京交通大学硕士论文3动乍构絮的结构强度仿真分析表3．7驱动与制动的等效应力计算结果平均应力应力幅组合最犬应力试验项目最大点位置(MPa)(Ⅳ衅a)(ⅣfPa)驱动时125．879．5179．9定位臂与侧梁连接处制动时125．8101．9188．3制动吊座与横梁连接处3．5．1驱动时静强度及疲劳强度评价l疲劳强度评价通过对焊接构架结构的特点分析，根据驱动工况时组合应力的分布状况，选出一些关键位置作为驱动工况疲劳强度评价的关键点进行重点分析，其中这些关键位置包括了平均应力最大点、应力幅的最大点，母材和焊接位置的极大点以及关键吊支座的连接部位。驱动时平均应力与应力幅的组合结果如图3—15和3．16所示。(1)驱动时平均应力：最大等效应力为125．8MPa，出现在定位臂与侧梁连接处；图3．15驱动时的平均应力的等效应力云图Fig．3—15Theequivalenceaverages廿es$inthedrivmg 北京交通大学硕士论文3动车构架的结构强度仿真分析(2)驱动时应力幅：最大等效应力为79．5MPa，出现在牵引电机吊座上；图3．16：驱动时的应力幅等效应力云图Fig．3—16Theequivalencestressamplitudeinthedriving将关键点位置的平均应力、应力幅值取出，对应于疲劳极限图的位置如图3—17所示一350—300～250—200—150-100—50o50100150200250300350平均应力(UPa)图3．17驱动时各关键点在疲劳极艰图中位置图Fig．3·17Thelocationofthekeypointsinthedrivinginthefatiguelimitfigure根据平均应力按照已知公式计算出各自的许用应力，对应应力幅到各关键位置的安全系数如表3．8所示。从表3．8、图3．17中均可以看出：各个关键点包括母板、焊接位置的应力幅值均在各自的许用应力范围内，在CRH2动车的实际构架结构中，修磨焊接处修磨的质量很好，都是圆弧光滑过渡，因此可以得出结论：在驱动时，动车构架满3l 北京交通大学硕士论文3动车构架的结构强度仿真分析足疲劳强度的要求。表3-8驱动时各点平均应力，应力幅值和安全系数关键点位置平均应力应力幅值许用应力安全系数区域类型电机吊座侧旁圆孔95_379．5124．51．57母材横梁与齿轮箱吊座连接部115．348．784．21．73修磨小纵梁与横梁连接部92．167．189．41．33修磨定位臂与侧梁连接部125．851．281．81．59修磨增压缸座与小纵梁连接部80．648．391．91．90修磨横侧梁联接部98．366．888．01．32修磨横梁与电机吊座连接部108．550，185．71．7l修磨2静强度评价驱动工况时，动车转向架构架静载与动载组合的最大等效应力为179．9MPa，发生在定位臂与侧梁连接处(见图3．18)，该应力远小于构架材料的屈服许用应力305MPa，所以在驱动时其静强度满足要求。图3．18驱动时静载与动载组合的等效应力云图Fig．3·IsTheequivalencesffesscombinatmgthestaticanddynamicloadinthedriving3．5．2制动时静强度及疲劳强度评价1疲劳强度评价32 北京交通大学硕士论文3动乖构架的结构强度仿真分析通过对焊接构架结构的特点分析，根据制动工况时组合应力的分布状况，同驱动工况时一样，选出一些关键位置作为制动工况疲劳强度评价的关键点进行重点分析，其中这些关键位黉包括了平均应力最大点、应力幅的最大点，母材和焊接位嚣的极大点以及关键吊支座的连接部位。制动时的组合应力见图3—19并1]图3．20所示，(1)制动时平均应力：最大等效应力为125．8MPa，出现在定位臂与侧梁连接处；图3．19制动时平均应力的等效应力云图Fig．3·19Theeqmvalenceaveragestressinthebraking(2)制动时应力幅：最大等效应力为101．9MPa，出现在制动吊座与横梁连接处；图3-20制动时的应力幅等效应力云图Fig．3-20Theequivalencestressamplitudeinthebraking 北京交通人学硕士论文3动车构絮的结构强度仿真分析将关键位置的平均应力、应力幅值取出，对应于疲劳极限图的位置如图3—21所示，‘350—300—250—200一150—100—50050100150200250300350平均应力(LtPa)图3．21制动时各关键点在疲劳极限图中位置图Fig．3-21Thelocationofthekeypointsinthebrakinginthefatiguelimitfigure根据平均应力按照已知公式计算出各自的许用应力，对应应力幅到各关键位置的安全系数如表3-9所示。表3-9制动时各点平均应力、麻力幅值和安全系数关键点的位置平均应力应力幅许剧应力安全系数区域类型电机吊座侧旁圆孔95382．3124．51．51母材制动吊座与横梁迮接处30．5101．9103．21．01修磨小纵粱与横梁连接部82．966．791．41-37修磨定位臂与侧梁连接部125．861．481．81．33修磨增压缸座与小纵梁连接部78，570．592．4131修磨横例梁联接部95．672．590．81．25修磨横粱与电机吊座连接部105．758．486．31．48修磨从表3-9、图3．2l中均可以看出：各个关键点包括母板、焊接位置的应力幅值均在各自的许用应力范围内，在CRH2动车的实际构架结构中，修磨焊接处修磨的质量很好，都是圆弧光滑过渡，因此可以得出结论：在制动时，动车构架满足疲劳强度的要求。2静强度评价在制动时，动车转向架构架静载与动载组合的最大等效应力值为188．3MPa，发生在定位臂与侧梁连接处(见图3．22)，该应力远小于构架材料的屈服许用应 北京交通大学硕士论文3动车构桨的结构强度仿真分析力305MPa，所以其静强度满足要求。圈3．22制动时静载与动载组合等效应力云图Fi昏3之2TheequivalencestresscombmatingstahcanddynamicloadinLhebraking3．5．3筋板疲劳强度评价对于转向架焊接构架来说，筋板只是起辅助加强的作用，它并不承受太大的力，对它来说，应该不会首先出现疲劳破坏的现象，但近来却发现在实际运行的列车中出现了一定数量的筋板破坏现象，这里在研究动车组构架的疲劳强度同时，根据日本JIS的评价标准的附属资料对构架中的筋板疲劳强度也进行了分析。在转向架构架的结构方面，目前的评价样本数量极少，没有制定转向架构架用的疲劳设计曲线，JIS的疲劳设计曲线也是借助了日本钢结构协会的疲劳设计曲线的等幅应力来加以评价的。按照构架筋板的T形焊接与斜交形焊接的焊接形式，采用规范中的E等级，其容许应力为62MPa。在构架结构中，对计算后的结果进行筋板对应正面的节点应力值的选取，对驱动时与制动时的两种工况分别找出筋板中经过组合之后应力幅的最大值，驱动时为35．8MPa．制动时为34．3MPa，均发生在定位臂处的内部筋板与侧梁底板的焊接处。驱动时出现筋板最大等效应力值的局部位置云图见图3．23，制动时出现筋板最大等效应力值的局部位置云图见图3-24。 北京交通人学硕士论文3动车构架的结构强度仿真分析图3．23驱动时筋板局部等效应力云图Fig，3-23Thelocalequivalencestressofthefinninginthedriving图3．24制动时筋板局部等效应力云图Fig．3-24Thelocalequivalencestressofthefinninginthebraking按照应力循环次数2000000次为寿命，则可对应疲劳设计曲线找出等幅应力范围的位置，即在寿命次数时对应的驱动为71．6MPa，制动为68．6MPa的点，对应的疲劳设计图如图3．25所示。 北京交通大学硕士论文3动车构架的结构强度仿真分析应力范围应力循环次数(10000次)图3．25筋板疲劳设计曲线图Fig，3-25ThefatiguedesignClJd'Veonthefinning从图中可以看出，对于筋板处驱动与制动的在疲劳寿命次数下的应力幅范围均在疲劳设计曲线之下，因此可以得出结论：焊接筋板的疲劳强度满足寿命的要求，对于近几年出现的疲劳破坏问题，可能是设计的原因，也可能是加工或焊接工艺的原因。对于动车组侧梁内的筋板根据计算分析应该不会出现疲劳破坏。本章小结参照厂方技术专家提供的具体结构参数，按照日本工业标准JISE4207“铁道车辆转向架构架设计通用技术条件”，并对CRH2动车组动车转向架构架进行了有限元分析。结果如下：l合成载荷工况下，驱动时构架上的最大应力值为179．9MPa，制动时构架上的最大应力值为188．3MPa，该应力均小于相应材料SMA490Bw的屈服许用应力305MPa，因此该构架静强度满足要求。2构架上，侧梁与定位臂连接过渡圆弧区、横侧梁连接处、横梁与轮盘制动吊座连接处、横梁与轴盘制动吊座连接处、横梁与小纵梁连接处等是动应力较大的部位。这些部位母材、焊接接头的动应力幅值均未超出母材、修磨焊缝、未修磨焊缝的疲劳极限图的允许范围。因此，构架主体及各吊座的疲劳强度均满足要求。3制动吊座与横粱连接处的安全系数较小，对这～位置应该重点检查，仔细打磨，根据动车组焊接构架实际豹打磨情况，可以看到打磨质量非常好，因此可以得知此处的疲劳强度也满足要求。4对于近来筋板出现的问题，可能是工艺或设计上的问题，对于动车组焊接37 北京交通大学硕十论文3动车构架的结构强度仿真分析构架的筋板，若工艺达到要求，按计算结果不会出现疲劳破坏现象。通过应用有限元软件ANSY对200km／hCRH2动车组动车转向粲构架迸行计算，并按JISE4207和JISE4208进行校核，结果表明，动车构架结构强度满足评价方法的要求。将分析结果和疲劳屈服极限相比较，大多数单元的应力在非打磨区域内，对超出非打磨区的焊缝增加打磨要求后，可使所有单元的应力均处于焊接打磨的疲劳强度极限范围内，满足强度要求。由此可得到以下结论：在各工况下静强度满足标准规定的要求；母材及焊缝处的应力幅与平均应力都在疲劳极限图线以下，满足疲劳强度的设计要求；对于筋板按照疲劳设计曲线进行评价也满足要求。 北京交通大学硕七论文4动车构架的结构强度测试分析4．1应力测试4动车构架结构强度测试分析4．1．1测点位置确定在实际运用条件下，结构的动应力测点大致可以分为两类：一类是与结构强度相关的测点，通过这些测点的分析可以评价结构的疲劳可靠性：另一类可称载荷识别点，用于识别其结构上动载荷的水平。本次试验为避免因测点损坏而丢失关键测点的动应力信息，比较重要的测点均有备点，这也有利于提高动应力测量的可靠性。测点选择按下列原则进行：选取应力较大、应力梯度也较大的部位，如各种主要连接焊缝的根部等，称为第一类测点，这类测点主要覆盖结构的疲劳强度控制点；选取应力较大但应力梯度较小的部位，称为第二类测点，这类测点主要用于识别载荷。由于本论文主要研究的是构架结构强度的问题，所以仅选取了第一类点并对其编号进行讨论分析。在试验前，首先对转向架构架迸行有限元静强度分析，结合室内疲劳试验确定构架的大应力部位和动态薄弱环节，将其作为疲劳危险区，并结合以往的经验迸行布片。由于焊接构架的结构形式各异，受力情况复杂，如何使载荷识别点能较准确地布置在构架上应力较大、且应力梯度较小的部位，这是布片方案的基本思路，总结起来就是：静态关注点。因为较高的静应力加上运用中随机载荷产生的动应力，可能使这些部位成为结构疲劳控制部位，通过有限元强度分析将静应力最大和较大部位定为需要考虑布片的静态关注点；结构关注点，对于焊缝区和结构复杂的部位，通过分析焊接接头的细部设计，根据应力集中状况确定需要布片的测点；动态关注点，这些点的静应力水平不一定高，但在车辆运行中却可能出现较大的动应力，构架的疲劳控制部位往往在这类关注点中，所以动态关注点的确定最重要也最复杂位置，主要出现在构架横、侧梁连接部，电机、齿轮箱、定位臂座、制动吊座和牵引拉杆座等的根部；调查分析构架在疲劳试验或运用中曾出现过疲劳裂纹的部位。综合上述，通过对动态关注点的分析，对于应力较大、应力梯度变化较小、受单一载荷作用下的主要吊、支座，应予以重点关注。参照有限元分析的结果，本论文动车转向架构架所布测点共有34个，有些在实际运行中可能坏掉，坏掉的点都有备点，所以不影响分析。其它各处的应变 !!窒銮望盔堂堡主笙奎!垫至丝銎盟竺竺塑堡型堕坌堡片由于与本次计算无关，不予列出。根据上述的原则确定本次试验方案的测点的位胃如图4．1、图睨所示：图4．1测点图1Fig．4—1Themeasuringfigurel图4-2测点图2Fig．4-2Themeasuringfigure240 jE京交通大学硕士论文4动车构架的结佝强度测试分析测点的位置说明列于表4-1，表4一I测点的位置说明Table4·1Theillustrationofthemeasuringpoints测点号构架上的位置测点号】横测粱连接部18定位臂与侧粱连接部2定位臂与侧粱连接都19小纵梁与横桨吐接部3制动吊座与横梁连接部20小纵粱与横梁连接部4横侧粱连接部2l定位臂与侧梁连接部5横侧梁连接部22制动吊座与横梁连接部6横侧梁连接部23小纵梁与横梁连接部7制动吊座与横粱连接部24电机与横梁连接部8一系垂向减振器座25增压缸与小纵巢连接部9电机与横梁连接部26横侧梁连接部10小纵梁与横粱连接部27制动吊座与横粱近接部1l横侧梁连接部28制动吊座与横粱迮接部12横侧桀迕接部29一系难向减振器座13制动吊座与横粱连接部30小纵梁与横粱连接部14横侧梁连接部3I增压缸与小纵粱连接部15小纵粱与横桀辽接部32齿轮箱与横柴迕按部16小纵棠与横梁迎接部33小纵柒与横桀连接部17齿轮箱与横粱连接部34横侧粱连接部4，1．2试验线路及试验工况1试验线路京沪线(北京．上海)、浙赣线(上海．长沙)、京广线(长沙．北京)、陇海线(徐州．郑州)、胶济线(即墨-高密)区间。2试验工况在京沪线、浙赣线、京广线、陇海线为空车，最高运行速度为200km／h；在胶济线空车动力学试验中分为220km／h和250km／h；重车牵引试验工况。4．1．3信号的采集与处理【16l本文中的实测信号是用多通道应力一时间历程数掘采集系统采集，由于该系统采集的实测信号无法直接识别动态载荷，并且在整个测试过程中列车在线路上快速运行，各种干扰信号也会由各测试环节进入数据采集系统，对应力信号产生干扰，有时甚至会掩盖真实信号的本来面目，因此本文采用机车车辆结构动应力4I 北京交通大学硕士论文4动车构架的结构强度测试分析专用数据处理软件，对实测信号进行以下处理。应力信号不能直接测试得到，而是需要找到与应力相关的应变信号进行测试。对于数据的处理，应首先进行信号预处理去除零漂、排除干扰、提高信躁比；其次要进行应力时间里程峰谷值挑选、小波处理、雨流计数、为疲劳累积损伤的的计算和等效应力的生成做好准备。1数据的采集动车组在线路上运行，转向架构架承受并传递着垂向、横向及纵向载荷，在运行线路上，其各个部位的应力变化是一个连续随机的过程，这种应力大小随时间变化的过程称为应力．时间历程。目前数据的分析方法日益完善，但采集数据的过程仍然是通过传感器将沸点信号转换为电参量的。本试验是以阻止为120欧姆的应变片作为传感器的应变片测试系统，它是经过应变片电路、记录仪器和分析仪器等组成的。应变片可以适应不同温度，不同环境、不同应变，电桥盒将应变片组成一个测量桥路，输入电路包括标定电路和供桥电路，放大器是将电桥的输出值放大，输出电路包括相敏检波和滤波器等，输出与应变成正比的电压，指示仪表显示电压或应变。本次试验所采用的测试仪器为较为先进的安捷伦和IMC测试仪正是采用这种原理。箨个测点的应变信号采蹦上述采集系统进行全拌连续采集，因而能够保证动应力测试数据的完备性。采样频率为500Hz，根据动乍组结构动应力的特点，上述采样频率足以保证采样数据的真实性。2信号的处理动态应变数据处理步骤如下图4—3所示：＆应变干蝰力信到扰谷谱号应滤值编的力波的制零的处挑漂转理选及处换推断理图4—3动态应变数据处理步骤Fig．4·3ThedynarIlicstraindataprocessingsteps(1)实测应变信号的零漂处理从理论上讲，试验前的应变输出是零，在停车后动态应变仪的输出信号也应该是零，但实际上由于各种原因的存在，即使在恒温、恒湿的环境中，在试件不受力的情况下，动态应变仪的输出信号对于零线有一个明显的偏移，这就是所谓 北京交通大学硕士论文4动车构架的结构强度测试分析的测试信号零点漂移现象。可以采用分段线性零漂假设进行信号的零漂处理，在实际进行零漂处理时，选择零漂分析段数比较关键。每段的时间太短，会对比较典型的信号造成较大的失真，因为机车车辆转向架在实际运行时，过曲线可能会出现某一段应力水平整体大幅度提高或减小的情况；每段的时间太长，电子信号的漂移就不能认为是线性的，实际可能是二次的或者更复杂的非线性。实践表明，在一段情况下每lO一15分钟作为一段，分段线性零漂假设能够较好的反映实测信号零点漂移的真实状况。(2)应变到应力的转换为了得到车辆运行中构架上各测点的实际应力状态，动态应变仪在列车开车前调平衡并设定动态灵敏度系数qy(单位：应变／伏特)，车辆运行时各通道采集的数据就是构架上各测点的动应变￡。(单位：伏特)。根据虎克定律，在单向应力状态下，应力与应变成正比，若材料的弹性模量为E，则动应力公式4．1为：Ody2E·Kdy‘Edy(MPa)(4—1)将这些连续的应力信号写入输出数据文件，就是各测点的应力．时间历程。(3)干扰滤波处理在动应力的现车实测过程中，难免会有个别通道的信号出现大的干扰，对于这种情况，只要干扰是有规律的，就可以通过频谱分析找出信号的主要的干扰频带，然后再用数字滤波器将干扰成分滤掉。通常采用低通、高通、带通、带阻四种频率选择滤波器。数字滤波是用数字方法来增强信号、惩低干扰、把信号和干扰分开，从而提取所需的有效信息，保证信息能可靠地传输和交换所不可缺少的技术，在实际工程领域有着广泛的应用。在应力时间历程的测试过程中，还有一些干扰信号很难被消除掉，比如，列车停在不同车站时采集的应变信号的微小波动，这些干扰信号将以很小的幅值叠加到真实信号上，虽然往往只有相当于几个兆帕的应力，但在编制应力谱时它们却构成数量相当多的小循环，影响了应力谱的真实分布，因此必须对测试信号进行小波处理。(4)峰谷值的挑选在疲劳损伤研究领域，通常关心的是应力．时间历程中的极大、极小值点，而不关心介于峰、谷值点之间的过渡数据样点，因此必须把这些过渡数据样点加以过滤，这一数据处理过程即为挑选应力一时间历程峰谷值。在进行应力一时间历程峰谷值时，由于机车车辆转向架各测点在实际运用中的应变信号是用500Hz的采样频率采样得到的，这个采样频率对于进行转向架构架这类机械结构的应力测量来讲是足够高的，它完全能够捕捉到应力信号这个连续随机过程的极值点，因此不必用曲线拟合的方法来进行应力极值点的推断，而直接用采样信号进行应力极值点的寻找。对锋谷值挑选之后，即可得到平均应力和应力幅。 北京交通人学硕十论文4动车构架的结构强度测试分析(5)应力谱编制及统计推断疲劳强度及寿命的评估在很大程度上取决于应力谱的真实性，而应力谱的编制由于采用的循环计数法息息相关。将应力时间历程简化为一系列的全循环和半循环的过程称为“循环计数”。近年来，雨流计数法尤其是双参数雨流计数法，在国内外被广泛采用。双参数雨流计数法的计数结果用应力幅值和应力均值的向量来表示。雨流计数法涉及载荷的全循环或半循环，并考虑了循环应力一应变特性，把应力的统计分析过程和材料的疲劳特性建立一定的联系，应力时间历程的每一部分都参与计数，而且只计数一次，所以它具有比较明确的力学概念。将计数得到的数据进行处理加以整理，编制出一维应力谱以便于寿命估计与疲劳试验的应用。通过线路史册获得的应力时间历程都有一个有限长的子样，由此得出的应力谱不能反映焊接构架整个寿命期间出现的最大动应力参数，为此需要将实测应力谱进行统计推断，以得到扩展谱。(6)等效应力车辆结构的疲劳属于变幅载荷下的疲劳问题。在变幅载荷下，低于疲劳极限的应力水平对于结构的损伤也可产生显著的影响，因此变幅载荷下结构的疲劳评估需要考虑各级应力水平对结构疲劳损伤的贡献。比较方便的做法是将应力谱按损伤相等的原则等效为恒幅应力，称之为等效应力幅。该等效应力幅能够反映结构在一定的工艺条件、运用工况和运用里程下的动应力状况，并采用该等效应力幅柬评估结构在运用条件下的疲劳强度。为了便于对变幅载荷下构架的疲劳寿命进行评定，将各测点的应力谱按等损伤原则等效为一个恒幅应力幅，称之谓等效应力幅。将等效应力幅与相应测点的疲劳许用应力进行EE较，如果等效应力幅小于相应测点的疲劳许用应力，则表示构架可以在一定公里数下安全运行，反之就不能安全运行。4．2动车转向架动应力测试结果与分析4．2．1应力测试结果分析按照疲劳损伤的观点，影响结构疲劳强度最主要的因素是动应力的变化范围do"(△a=a一一口。，o一为最大应力，o。为最小应力)，通常用动应力幅值o。这个参量表征，本研究对动应力的讨论，亦采用动应力幅值瓯(6。=△彰2)·本次动车组试验采到大量可靠的数据，需要对这些数据经过信号的零漂处理、应变到应力的转换、干扰滤波处理、峰谷值的挑选等处理得到才能得到实测 j匕京交通人学硕士论文4动车构架的结构强度测试分折数据信号的最大值、最小值，把各次试验全程测试的应力．时间历程进行统计按照测点位置将动车转向架构架各测点统计结果的最大、最小应力和最大动应力幅的测试结果统计，由于CRH2动车组转向架构架上各个部位的动应力水平存在一定差异，下面按照转向架不同部位的应力整理如表4．2所示：表4—2CRH2动车组动车构架动应力统计单位：MPaTable4-2continuedThedynamicstressstatLsticforCRH_,EMUmotorframeUnit：MPa3(制动吊座与横梁连接处)25(增压缸座与小纵粱连接部)洳点(位置)最人值最小值应力幅值最人值最小值应力幅值胶济线空车220km／h12．5．15．914．212，8．11．312．1胶济线空车250km／h16．2—14．215．213．3—10．612．O胶济线重车15．1—15．015．113．7—14．814．3京沪线测点坏34．3．30．532．4浙赣线29，O，24．O26，5226．23．823．2京广线26．6-21．624．125．4-21．523，5陇海线31．7—30．431．114。9—13．414．28(一系垂向减振器座)29(一系垂向减振器座)洲点(位置)最大值最小值应力幅值最大值最小值应力幅值睃济线空车220km／h17．7．10914．312．3．12．812．6胶济线空车250km／h12．3．13512．92I．6．27．1244胶济线重车11．4—12．O11．713．O一14．313．7京沪线35．6-41．238．427．0-28．727．9浙赣线19．4．17．618．521．9．34．728．3京广线51．5．29．140．319．5．21．820．7陇海线13．7．7．410．621．O-26．O23．510(小纵梁与横梁连接处)19(小纵粱与横梁连接处)嬲点(位置)最大值昂小值应力幅值最大值最小值应力幅值胶济线空车220km／h25．6—25．725．722．7．24．223．5胶济线空车250km／h35．0．29．832．428．2-26．627．4皎济线重车30．9．26．728．823．6—32．127．9京沪线62．3．37．349．843．9_47．545．7浙赣线51．4．51．951．742．2—41．742．0京广线49．6_48．549．1测点坏陇海线37t3-48．943．1测点坏 北京交通人学硕士论文4动车构架的结构强度测试钉析续表4．2CRH2动车组动车构架动席力统计单位：MPaTabled,一2continuedThedynamicstressstatisticforCKH2EMUmotorframeUnit：SPa30(小纵粱与横桀连接处)17(齿轮箱吊座与横梁迎接处)测点(位置)最大值最小值应力幅值晟大值最小值应力幅值胶济线空车220km／h149．16．2156223—13．818．O胶济线空车250km／h20．1一14．617．428．7一18．323．5胶济线重车21．4．16．719．1测点坏京沪线18．4．23．320．955．8．19．937．8浙赣线30．7—31．731．223．8-22．423．1京广线35．2．35．335．336．7．15．926．3陇海线318—27．929．940．0，12．126，O28(制动吊座与横梁连接处)13(制动吊座与横梁连接处)测点(位置)展人值最小值应力幅值最大值最小值应力幅值皎济线空车220km／h23．0．1l，017．O14．8—21．218．O胶济线空车250km／h23．8．11417．611．8．19．515．7睃济线重车30．1—14．122．113．7．26．420．1京沪线19．7-48．133．938．7-42．940．8浙赣线15．1．65．440．313．5-45．629．6京广线17．1—51．834．517．4．25．121．3陇海线11．8．14．613．250．7—28439．611(横侧粱连接部)12(横侧集连接部)测点(位置)嘬大值最小值应力幅值最大值虽小值应力幅值胶济线空7F220km／h15．5—16．816．219．2．20．319．8胶济线空车250km／h21．2．19220．224．2—24．924．6胶济线重车21．1．19．920．524．3．23．824．1京沪线56-3．25．641．O46．9—52．349．6浙赣线35．4—25．830．649．3．36．743．0京广线30．2-26．228．238．4．39．639．0陇海线30．4之6．428．421．5．20．320．99(电机吊座与横梁连接处)24(电机吊座与横梁处)测点(位置)最大值最小值应力幅值最大值最小值应力幅值胶济线空车220km／h13．5．14．313，913．6．14．113．8胶济线空车250km／h15．2—14，414．821．7．15．618．7皎济线重车14．6．15．815．217．9．19．118．5京沪线22．2—20．921．633．2．28．O30．6浙赣线“．1．23．924．O27．7．30．929．3京广线18．4—19．218．822．5．23．823，2陇海线14．8—14．114．518．9．22．620．8 北京交通大学硕士论文4动车+勾架的结构强度测试分析续表4-2CRH2动车组动车构架动应力统计单位；MPa2(定位臂与侧粱连接处)18(定位臂与侧粱连接处)测点(位置)最大值最小值应力幅值最大值最小值应力幅值腔济线空车220km／h11．7．12．O11，S21．1．21．12lrl皎济线空车250km／h17．3．15．416．322．8．31．927．4皎济线重车14．5．15．715．124．6-24．424．5京沪线30．0．33．131．543．5．24．734．1浙赣线23．9一17，620．828．0—24．726，3l京广线21．2．18．820．O31．8．23．227．5咙海线．16．6—20．118-325．0．26．926．O由表可见：1动车转向架上各部位比较大的动应力幅值出现在J下线如京沪线上的应力水平综合起来明显较大，而且既有正线上的应力明显大于新线如胶济线即即墨．高密区间的应力水平；2由胶济线即墨．高密区间不同工况数据可见，空车与重车、220km／h与250km／h速度条件下动应力幅值仍然相当；3动车转向架上动应力比较大的部位是小纵梁与横粱连接部(其中测点10在浙赣线的动应力蝠值为5i。7MPa)、横侧梁连接部(其中测点12在京沪线的动应力幅值为49，6MPa)；4动车转向架主要支吊座除制动吊座与横梁连接部(其中测点13在京沪线的动应力幅值为40，8MPa)、一系垂向减振器座(其中测点8在京广线上动应力幅值为40．3MPa)略大于40MPa以外。其余的支吊座如齿轮箱吊座、定位臂与侧梁连接部动应力幅值基本都小于40MPa。从测试的动应力水平来看，动车组动车构架在全国各线路上并未因大幅提速而使动应力水平比以前显著提高或出现特别大的应力辐值，具体的应力水平还需进～步分析。4．2．2测试结果结构疲劳强度评估1疲劳损伤理论及疲劳强度评价方法多数机械零件和结构构件在工作中所承受的循环载荷应力幅是变化的，有些是规则变化，有些是随机变化的。为了用等幅疲劳试验数掘估算变幅及随机疲劳载荷历程下的疲劳寿命，建立了“损伤”的概念。当材料承受高于疲劳极限的应力 北京交通大学硕士论文4动车构架的结构强度测试分析时，每一循环都会使材料产生一定程度的损伤，这种损伤是能累积的。当损伤累积到临界值时，零件就发生破坏。随着人们对损伤机理的认识，出现了众多的疲劳累积损伤理论，具有代表性的有线性Miner准则。结构的疲劳破坏是一个疲劳损伤不断累积直至最后断裂的过程。根据对车辆运行中结构件上应力随机分前i特征的研究表明：大应力循环较少、小应力循环占主导地位。因此，小应力对车辆结构疲劳损伤的贡献是必须考虑的。线性疲劳累积损伤理论【171认为，疲劳过程既可以看成是损伤趋于～个临界损伤阀值的累积过程，也可以看成是材料固有寿命的消耗过程。假设损伤是线性累积的，则在给定的应力水平下，每一循环产生等量的损伤。1945年Miner根据材料吸收净功的原理，提出了疲劳线性累积损伤的数学表达式。设材料在破坏时吸收的净功为w。材料经nl应力循环吸收的功为W，材料经N1次应力循环后破坏。刚有：w／W=nt，11。同理，设经n2次应力循环材料吸收的功为睨，且材料经N2次应力循环后破坏，则有w2／W=n2／n，在材料破坏时有W+№+⋯+％=W，比较以上各式，可以得到线性疲劳累积损伤方程式，即为：∑旦=l(4-2)N厶．i‘J1=l式中，ni为应力循环次数；Ni为破坏时的应力循环次数。此式又称为Miner准则，是最广泛使用的疲劳累积损伤准则，实际使用中，N．是由S—N曲线或应变寿命曲线计算的。本研究就是采用Miner线性疲劳累计损伤法则和材料(或结构上相应焊接接头)的S-N曲线计算等效应力幅，这一方法可使各级应力水平产生的损伤均得到合理的考虑，并使评估结果赂偏保守。应力一时间历程经循环计数处理之后得到的是整个历程中各次应力循环的均值和幅值，不仅数据量大，而且是随机变量，因此必须将这些数据加以整理，编制出～维应力谱。以便于疲劳强度评估和疲劳试验时应用。所谓一维应力谱，就是采用国内外广泛应用的“波动中心”法，将应力谱简化为～元随机变量，并以波动中心作为应力循环的静应力分量，幅值作为应力循环的动应力分量，将幅值叠加于波动中心之上。对于仅测动应力时，静应力分量为零，而且为动应力为对称循环。在编制一维应力谱时，先找出各应力循环的均值、幅值，然后找到应力幅值的最大值和最小值，最后将应力幅值进行分组，组数称为应力幅值组级数，通常取8级、16级、32级。这样就得到了组阁距，公式如下：D=_O—am—a瓦x-_Oami—n(4．3) 北京交通人学硕士论文4动车构架的结构强度测试分析式中，D为组间距；Ns为应力幅值组级数；g。。、g。。分别为应力幅值的最大值和最小值。通过组间距，可以得到各级应力幅值组的上、下限值，这样可以判断应力幅值口。属于哪一级范围之内，并得出每一组内应力幅值循环出现的次数。为了统计描述上的方便，各级应力幅值组采用其组中值来表示。组中值按下式计算：咿旦与堕㈦，2N。∽4)式中，d。为第i级的组中值；Di上和DiT分别为第i级的组上限值和组下限值。根据Miner线性疲劳累计损伤法则和S—N曲线，可以得出一个实测应力谱块的损伤公式如下：。耻皇昔：∑N$等Ill∽，，耻芝昔=∑等c4剐式中，C．为S-N曲线的常数。综上，设通过实测应力公星数得到预计寿命内总公里数的等效应力为％ec，则其公式如下：r’一1，aaeq=I丽L∑nj(oal)”I”(4-6)其中公式中的符号：Ll：一个应力谱的实测公里数，一般情况下是动应力测试的总里程；L：预计动车组寿命内的总里程；N：疲劳极限所对应的循环数．焊接接头～般取200万次，母材取1000万次：ni：各级应力水平对应的应力循环次数；l-fl：S-N曲线的指数。对于焊接接头，取3～3．5；对于母材，取各材料疲劳试验得出的m值3。5；嘶：各级应力水平的幅值。进行转向架结构疲劳强度评估时，将焊缝测点运用公里数的等效应力幅与许用疲劳极限作比较，如果等效应力幅小于许用疲劳极限，则表示能够安全运行该公里数；否则不能保证安全运行，需要降低运行公里数，即减小等效应力幅，直至其小于许用疲劳极限。通过连续记录车体上各测点应力信号的时间历程，并进行统计计数后编制成它们的应力幅值谱。对于车辆结构而言，通常取八级应力谱便可足够可靠地反映实际的动应力历程。2动车构架疲劳强度的评价 北京交通人学硕士论文4动午构架的结构强度测试分析如果要求：动车组设计寿命是20年，平均每年运行45万公里(按照维修计划3级维修应该在45万公里或者1年)，则整个寿命期大约运行900万公里。胶济线(高密．即墨)220km／h、250km／h和重车均用三个往复，其实测公里数各为258km；京沪线(北京．上海)实测公里数为1463km；浙赣线(上海．长沙)实测公里数为zz77km；陇海线(徐州一郑州)为一个往复，其实测公里数为698krn；京广线(长沙．北京)实测公里数为1587km。分别将上面的已知参数代入到Oaeq表达式，就可计算得出对应不同运行里程不同测点的等效应力幅。根据等效应力公式得出各位置的等效应力如表禾3所示：表4-3动车转向架运用900万公里等效应力幅单位：MPa胶济线位置测点京势。线浙赣线陇海线京广线220kmm250km／h重车一系垂向减振817．521．519．229．727．025．226．8器座定位臂与侧粱连接部1825．724，524330．726．330．728．1横侧梁1228．534．931．051．242．444．526．9连接部小纵桀与横梁1D37．445．141．244．849．243．639．8连接部制动吊座与横1310．613．012．925．915．919．921．6粱连接部电机吊座与横梁连接部2424．820．920．634．131．233．S30．4齿轮箱吊庵与1720．923．221．522．117．720．819．1横梁连接部增压缸座与小2511．814．513．924．321．221．717．7纵粱连接部进行结构疲劳强度评估时。将各测点的等效应力幅与许用疲劳极限作比较，如果等效应力幅小于许用疲劳极限，则表示能够安全运行900万公里；否则不能保证安全运行900万公里。转向架构架主结构采用焊接结构，焊缝未修磨许用疲劳极限为70MPa，修磨后许用疲劳极限为1IOMPa；由于疲劳极限图的许用疲劳极限受到静载荷的影响，动车在实际运行静载荷虽然不造成疲劳的影响，但对于最大的应力值却有贡献，而且在疲劳极限图中，平均应力越大，对应的疲劳许用应力值越小，在评价疲劳强度时，就应该将平均应力考虑进去。这里用各对应点的计算静载荷的平均应力与所测数据等效应力幅结合起来考虑，以保证准确地评价疲劳强度的可靠性，应用疲劳极限图评价如图4—4所示： 北京交通天学硕+论文4动车构架的结构强度测试分析一350—300—250—200—150一100—50050i00150200250300350平均应力(MPa)图4-4各芙键应力点在疲劳极限图的位置图。Fi酣-4Tthelocationofthekeypointsinthefatiguelimitfigure综上，通过实测数据对动车组构架的疲劳强度进行评价得出构架各个位置的应力幅均小于疲劳许用应力，而且最大应力幅与计算平均应力综合考虑也满足疲劳极限图的许用范围，因此通过实测数据分析构架的疲劳强度满足要求。本章小结通过在胶济线(即墨．高密区间)、京沪线(北京一上海)、浙赣线(上海．长沙)、京广线(长沙一北京)、陇海线(徐州一郑州)对CPd-12国产化动车组进行动应力测试试验数据经分析后，动车转向架主体结构上等效应力比较大的情况都出现在既有线上，而且既有线上的等效应力明显大于胶济线高等级线路上250km／h的运用工况下的等效应力(平均大40％)；动应力水平比较高的部位发生在横侧梁连接部(测点12在京沪线的等效应力幅为51．21VlPa)、小纵梁与横梁连接处(测点10在浙赣线的等效应力幅为49．2MPa)；上述部位的等效应力幅值均小于日本工业标准JIS中未修磨焊缝的疲劳极限70MPa(修磨焊缝疲劳极限为1101vlPa)。因此可以得到以下结论，CIL．'-12国产化动车组动车转向架构架主结构及其重要支吊座的等效应力幅值均小于对应部位焊缝、铸钢母材的疲劳许用应力，可以满足安全运用900万公里的要求。5l 北京交通人学硕士论文5仿真与测试的比较分析5．1比较分析的意义引进外国的动车组在我国的在我国线路上运行，对设计规范计算得到的结果与测试数据进行比较分析具有很大的价值：l我国第六次大提速是具有跨时代意义的，这次提速我们引进了外国具有动力分散技术、时速达200km／h的动车组，这在我国以前是绝无仅有的，动车的引进可以让我们把运行的速度提上来，技术的引进也能让我们得到更多地认识，但我们目前只是引进而已，我们的最终目的是消化、吸收、再创新。也就是说，我们不只是要把别人好的东西拿来用，更重要的是，我们应该把它转化为自己的东西，最终我们能够自主创新，自己能够早出更先进的铁路运输工具。这需要一个过程，我们需要不断的积累经验。因此，我们必须把所有可用的技术资源进行分析、比较，最终能让引进的动车组可靠、安全的运行在我国的铁道上。2目前我国引进的动车组在外国线路上运行可靠已经得到肯定，但它到底能不能完全适合在我国线路上的安全运行还需要进一步的验证，因此，我们做了大量的试验，采到了很多可靠的拉通试验数据，既包括了既有线路改造的，也包括了胶济线路等新线的数据，通过对试验数据的分析可以对动车组在我固线路上的运行进行判断，但为了更可靠的评价，我们又对对车组进行了仿真分析，通过这样的对比分析，我们能够得出更加充分的证据，为我们得出一个更加准确的结论提供完整的保障。3仿真计算的评价标准是按照JIS的标准进行评价的，我国还没有自己运行线路上的评价标准，通过做大量试验得到了我国自己运行线路上的动应力参数，了解了动车在我国线路上运行的实际情况，这些可靠的数据为我们认识动车组在我国既有主要线路、客运专线的运营状况有非常重要的意义。更重要的是，我们可以用实测数据的分析结果来评价JIS标准的量度与实际的差距，更进一步，可以对现有标准进行修正，以编制出符合我国的车辆结构强度评价标准，这样既能保证我国车辆的安全运行，又能节省大量的财力、人力、物力。综上可以看出，对试验数据的结果和计算分析的结果迸行细致的比较是很有必要而且很有意义的，通过这样的比较分析，才能保证在进行强度分析和评价时得出可靠的结论，彳’能为我国制定自己的结构强度标准规范提供可靠的指导作用，才能为我国以后高速列车的快速发展提供完整的理论基础和标准体系。52 北京交通人学硕士论文5仿真与测试的比较分析5．2比较分析的结果通过有限元法对动车组动车转向架焊接构架进行仿真，计算出各个工况的应力结果，然后通过各个工况结果的不同组合，得出了平均应力、应力幅以及二者组合后最大应力状态的应力结果，但这些结果不能直接与测试的结果相比较，因为在测试过程中，采用的是单轴应力方式的应变片测试，所测的应力值能反映沿应变片贴片方向的应力值，而不是这一点的等效应力值，因此，在选取点的时候应该沿贴片方向的分应力进行比较。另外，由于在测试过程中不能区分出制动牵引的数据，它是连续的采集过程，而在计算评价的过程中分成了两种情况进行评价的，所以此处比较时，在选取计算等效应力的时候，挑选两种情况比较大的情况用于计算结果与实测的数据进行比较。选各关键点不同线路的等效应力以及对应点的沿贴片方向上计算应力值如下表5．1所示：表5—1对应点的测试应力与计算应力Table5·1Thetest$1]'essandthecalculationStTeSSinthecorrespondingpoints测胶济线京沪浙赣陇海京广计算位置点220km／h250km／h重乍线结果定f《7=臂与侧梁1825．724．524330．726．330．728．142．7连接部横侧梁联接部1228534．931．O51．242444．526．957．7小纵粱与横粱1037．445．141．244，849．243639．854．6连接处制动吊座与横1310．613．O12．925．915．919．92I．678．3梁连接部电机吊座与横粱连接部2424．820．920．634．131．233．530．446．2齿轮箱吊座与1720．923．221．522．117．720．819。l37．S横梁连接部增压缸座与小纵粱连接部2511．814．513．924．321．221．717．736．9从表中可以看出：实测数据的等效应力明显小于计算结果的等效应力值。有些位置的点大的很多，比如制动吊座与横梁连接部等，这些位置在实际运行中并没有出现太大的值，而在按照设计计算规范得出的结果却比较大，这可能是规范评价比较保守，所以在以后的研究中应该对规范进一步加深认识，并对其进行深入地研究、分析。通过比较可以看出，不论通过实测数据还是计算仿真来评价的结构强度都是比较可靠的，因为实测数据结果的等效应力与同一位置的计算仿真等效应力结果 北京交通大学硕七论文5仿真与测试的比较分析可以说是在误差容许范围内的，虽然有些在数值上看上去相差较大，这并不能说明测试的数据有误，JIS规范标准应用到动车组上在国内目前还没有完全得到检验，对于这种规范的可靠性还有待进一步的探讨、研究，或许是规范中的实际加载比较大，对于车辆设计的这种保守当然为安全性更好的保障，但势必会造成不必要的浪费。在今后，应该继续追踪大量的动车组试验测试数据，为认识外国规范，为国内的设计做好铺垫。通过对比较结果的差异分析，根据对JIS标准的不断研究，可能有以下主要原因造成：l计算结果加载的是设计计算载荷，为安全考虑，必定有一定的安全裕度。按照修正的Goodman疲劳极限图分析本身也较为保守。‘2随着运行车辆提速，载荷不断变化，JIS对设计的标准扩大了载荷系数，但载荷系数的扩大，并没有完全具有试验的依据。3关于JlS中动载条件的施加，是要根掘线路条件、速度条件、动载荷发生机构和动载荷发生频度不同而变化的，对于CRH2动车组在我国第一次的运行，其设计并未根据我国的线路条件进行，所以动载荷条件的施加还需通过大量的试验对我国线路进行充分认识。4对于JIS中的应力合成方法，尤其是应力幅的组合合成方法，是按照各自载荷所产生应力的平方求和再求平方根的方法进行的，对这种合成方法还有待进一步研究。通过分析比较，得到了很好的效果，既能确保分析两种分析的正确性，从而保证对动车组动车转向架焊接构架进行的结构强度的评价结果的可靠性，但在这里，未能对这种比较分析进行的更深入，只是从测试的数据和计算的结果数据上进行了比较和简单的分析。希望以后能有机会进行更加深入地研究，以便对日本的JlS标准进行更深层次的认识。我们可以借鉴别人的标准规范来设计铁路车辆和评价车辆的结构强度，但我们更重要的是，我们应该通过对我国铁路运行的现状制定出自己的标准，这更符合我国铁路的实际情况，也真正能够达到我国引进动车组技术的目的，最终实现消化、吸收再创新的目的。 北京交通大学硕j：论文6结论与展望6．1结论6结论与展望本文对我国引进动车组动车转向架焊接构架，参照JISE4207——《铁道车辆一转向架一转向架构架设计通则》和JISE4208——《铁道车辆一转向架一载荷试验方法》，本着使构架载荷和约束尽量与实际相一致的原则，通过仿真计算的的方法，对动车焊接构架整体结构进行了疲劳强度校核、静强度校核，尤其是对关键部位的应力状况进行了细致的分析与评价：通过试验实测的方法，对动车焊接构架进行了疲劳强度校核，并对动车组在我国不同线路上的运行的品质进行比较，对不同线路运行状况进行了分析，有了一些新发现：最后，本论文将按照外国的标准进行计算的结果与我国线路实测的数据结果进行比较，对外国标准应用于中国车辆设计的适用性进行了分析。现将计算结果归结如下：l对于仿真计算分析，在驱动时构架所受的最大等效应力为179．9MPa，出现在定位臂与侧梁连接部，在制动时构架的最大等效应力为188．3MPa，出现在定位臂与侧梁连接部，两种情掘下的最大应力均未超出要求的屈服许用应力305MPa，因此静强度满足设计要求；将各关键点(包括最大值点、主要吊、支座以及筋扳)的对应的平均应力与应力幅通过疲劳极限图进行评价，对应各点均在母材、修磨、未修磨的许用应力范围内，所以疲劳强度满足设计要求。但有些点的安全系数较低，因进行细致修磨等处理。2对于试验实测的分析，通过对实测数据的处理得到不同线路的平均应力、应力幅，对其编谱，并进行900万公里的应力等效，最大点的等效应力为51．2MPa，出现在京沪线上的横侧梁连接部。由于实测过程没有测静载荷，所以此时应用各关键点对应部位的计算平均应力与各关键点的实测等效应力幅进行疲劳强度极限图中的评价，结果表明：构架的疲劳强度满足设计要求。3通过在不同线路进行试验，得到了不同线路的动应力情况，可以看出：在新线胶济线上的等效应力明显小于既有线路的等效应力，说明我国新线路的质量比较高，既有线路的质量虽然能满足动车组运行寿命的要求，但还需进行改造或修建新的客运专线，以满足以后提速更高要求的动车安全运行。4对实测数据与测试数据进行比较，可以对数据的可靠性进行验证；我国目前还没有自己的结构强度的评价标准，通过数据的比较，根据实测数据得到我国线路上动车运行的品质，我们可以用这些数据来作为我国以后制定自己标准的参考，为我国以后制定出自己的车辆设计结构强度的规范打下一定的基础。 北京交通人学硕十论文6结论与展望6．2展望安全是铁路永恒的主题，对于我国最近引进的动车组在我国运行才刚刚起步，动车组运行的安全性和可靠性必将是今后研究的一个重要课题，对于动车组转向架的构架这个基础和关键部件，必须进行深入研究，我们现在虽然对其静强度和疲劳强度进行判断，但建立我国的构架强度研究体系还是有一段很长的路要走，相信通过不断涌现的大量科技工作者的共同努力，一定能够让我国铁路车辆的技术水平走到世界的前列。在今后还有很多工作要做：1通过试验继续研究200km／h动车组转向架构架的受力状态以及构粲结构强度的可靠性，在此基础上，研究更高时速的动车组的结构强度问题，以适应不断发展的动车技术。2在做大量试验的同时，了解动车组在我国线路的运行品质，基于规范分析结果与基于实测数据结果需要更加深入的比较研究，对引进动车组在中国线路上设计规范的制定作出完整评价。3建议把疲劳损伤理论用于构架研究，研究构架的寿命问题和我国生产构架的疲劳极限图用于评价构架的结构强度。经过我国铁路科技工作者的不懈努力，我国将在不久的将来研制出自主知识产权的动车组，并在大量试验的基础上，不断建立自己的构架结构强度研究体系，不断制定出自己的设计计算规范，这些将为我国铁路事业的发展起到重要的推动作用。 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北京交通人学碘L学位论文作者简历个人概况：姓名：徐文正出生日期：1982年5月25日文化}{度：硕士电子邮件：05121491@蜘tu．edu．cn教育背景：>2005．09～2008．Ot>2001．09～2005．07科研项目：作者简历北京交通大学机电学院西安理工丈学机仪学院性别：男专业：车辆T程毕业院校：JE京交通大学联系电话：13141337449车辆工程机械制造及其自动化工学硕士工学学士>200609～2006．10(铁道部课题)5000t货车载荷谱试验。通过对我国C70货车的动应力测试得出我国新型货车在实际运营的载荷状况然后与计算比较分析，编制我国货车载荷谱，确定我国货车的载荷标准；>2006．10～2007．04(铁道部课题)动下纽技术引进、消化、吸收再创新。铁道部第人次人提速的攻关项目，关系到我国客运提速的安全问题。具有深刻的意义，我主要负责CRH2动车转向架静、疲劳强度的校核计。