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1、第31卷,第1期中国铁道科学Vol31No12010年1月CHINARAILWAYSCIENCEJanuary,2010文章编号:10014632(2010)01011105铁道车辆转向架构架可靠性参数灵敏度分析1,22212卢耀辉,曾京,邬平波,李人宪,杨飞(1.西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031)摘要:运用概率分析方法建立某转向架构架的参数化有限元模型。选取构架的材料属性、几何参数和载荷等作为随机变量,通过统计分析得到其分布参数。用构架母材和焊
2、缝部位疲劳薄弱处的最大主应力和其许用疲劳强度建立疲劳强度可靠性失效状态函数。基于蒙特卡罗数值模拟方法,计算转向架构架的可靠度及参数灵敏度。分析结果表明:在所选择的随机变量中,空气弹簧部位的载荷变量和材料的许用疲劳强度变量对构架的疲劳强度可靠性影响较灵敏,而板厚变量和局部的载荷变量对构架的疲劳强度可靠性影响不显著。提出了转向架构架可靠性优化设计的建议。关键词:转向架;焊接构架;可靠性;灵敏度;蒙特卡罗法;概率设计;优化设计中图分类号:U270331文献标识码:A在工程分析中所建立的分析模型都是经过各种SHELL63单元,分别从粗网格到较细网格离散构假设和理想化而得出的
3、。而实际中设计的任何产架,施加载荷和边界条件,做网格的收敛性检查,品,其材料属性、加工公差和载荷等都存在不确定以确定合适的网格尺寸。经过对比分析,确定网格性。所以,在有限元分析中输入的参数也同样具有尺寸为20,构架的有限元计算结果收敛,离散的一定程度的不确定性。要完全消除这些输入参数的总节点数共计75010个,单元数75358个,构架[1]不确定性很难。有限元模型和施加的约束边界条件如图1所示。在对于复杂结构的可靠性参数灵敏度的计算,由构架边界处离散弹簧单元,总计128个,弹簧单元于其失效概率是多变量的函数,无法采用直接积分下端节点的全部自由度被约束,以模拟实际的边界和求偏微分的方法
4、来进行计算,而基于蒙特卡罗数条件。构架的有限元模型可以通过将板厚设定为随值模拟的方法可以比较精确的求解结构的可靠性灵机变量,从而考察板厚变化对构架可靠性的影响。[2,3]敏度问题。本文基于ANSYS有限元分析软件[4]的概率分析功能,通过建立某车型转向架构架的有限元模型,以板厚、载荷及材料的特性作为随机变量,对随机变量进行拉丁超立方抽样,计算分析非确定性的输入参数对构架疲劳强度可靠性的影响,为构架的可靠性设计提供参考。1构架可靠性参数灵敏度计算模型11构架有限元模型的建立图1构架有限元模型在CAD软件中建立构架的实体模型,然后将12构架随机变量选择及分布参数的确定模型通过
5、ANSYS软件的数据接口导入,离散后得构架的板厚随机变量中选择侧梁上盖板、侧梁到构架的有限元模型。构架有限元模型采用收稿日期:20081217;修订日期:20090918基金项目:国家九七三计划项目(2007CB714700);新世纪优秀人才资助项目(NCET070717);西南交通大学博士研究生创新基金资助项目作者简介:卢耀辉(1973!),男,甘肃民勤人,讲师,博士研究生。112中国铁道科学第31卷下盖板、侧梁腹板和横梁板的厚度作为考察对象,为服从一定分布的随机变量,则构架的失效状态函其板厚设定为均匀分布,其分布参
6、数1代表板厚的数为下限,分布参数2代表板厚的上限,其值的确定由G(x1,x2,%,xn)=[]-max(1)加工的几何公差来决定;构架的载荷随机变量选择其中,二系空气弹簧部位的垂向载荷、横向止档载荷、电G(x1,x2,%,xn)>0构架安全机吊座部位施加载荷和齿轮箱座部位施加的载荷等G(x1,x2,%,xn)<0构架失效作为考察对象,除横向止档载荷设定为指数分布G(x1,x2,%,xn)=0构架处于临界状态外,其他载荷均设定为高斯分布,其分布参数1代(2)表载荷分布的均值,分布参数2代表载荷分布的标式中:[]为构架的许用疲劳强度;max为构架的准方差,所施加的
7、载荷参照UIC615!4标准得到,计算应力。二系空气簧部位的垂向载荷和横向止档载荷通过运构架在正常运营条件下,其疲劳强度可靠性主营载荷工况数理统计得到,其他载荷均值为标准计要受本文所选随机变量的影响,由构架母材上危险算得到的数值,标准方差取其均值的1/10。其中,部位的最大主应力和焊缝部位的最大主应力等处的二系空气弹簧部位的左侧垂向载荷与右侧垂向载荷名义应力max与其许用疲劳强度[]之差建立构的相关系数为053。构架的材料特性选择构架母架的疲劳强度可
