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车轮参数化形状优化与疲劳强度研究

作　者: 徐传来
导　师: 米彩盈
学　校: 西南交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车轮形状优化柔性体轮轨接触力随机疲劳寿命
分类号: U270.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 326次
引　用: 6次
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内容摘要

随着列车运行速度的不断提高,轮轨系统激扰频率显著增加,轻量化轮对服役环境急剧恶化,其结构疲劳可靠性问题变得越来越突出,采用将柔性多体动力学分析、有限元分析和疲劳寿命分析等有机结合的方法,实现在计算机虚拟环境下车轮的随机疲劳寿命预测。通过动力学仿真给出随机疲劳预测所需随机载荷谱。而结构在载荷的作用下,或者加速、减速运动时都会产生一定的弹性变形,这些变形影响了结构的运动和受力特征。因此,在考虑轮对及制动盘柔性的基础上给出随机载荷谱。同时分析轮对柔性对轮轨接触力的影响。优化设计方法是机械产品设计技术革新和创新设计发展的重要方向之一,对于提高产品设计水平和质量,降低生产成本和材料消耗,提高产品性能和寿命,缩短设计周期都具有重要的指导意义和实用价值。对车轮进行优化设计,得到满足条件的轻量化车轮,从而改善车辆动力学性能、提高旅客乘坐舒适性、降低铁路维修成本、减小列车运行阻力、降低承载结构的工作载荷和振动冲击能量。基于ANSYS软件的APDL语言建立了动车组CRC CW400拖车转向架车轮的参数化优化设计模型,以UIC510-5和EN13979-1标准规定的疲劳强度分析载荷和载荷工况为约束条件、车轮质量为目标函数,对车轮结构几何形状进行优化,实现了车轮的参数化设计和结构强度优化归一分析。为对车轮进行其它方面的参数化优化(轮轨滚动噪声、车轮结构刚度控制及车轮结构形式选择等)提供了理论基础。优化后车轮的辐板厚度减薄,车轮质量减少22.89kg,其结构强度满足UIC510-5和EN13979-1标准的要求。与原始车轮相比,优化车轮径向应力最大和最小值的绝对值增大,轴向应力无明显变化,其中最大和最小径向应力在曲线通过工况绝对值增加值最大,分别为41.1MPa和69.0MPa。优化车轮辐板区域的应力均有所增加,提高了辐板区域金属材料的利用率,充分发挥车轮制造材料的机械性能,有利于减小车轮的结构质量。与原始轮对相比,优化后得到的轮对与辐板相关的固有频率明显降低,一阶反对称弯曲模态、二阶对称弯曲模态、一阶对称伞形模态和一阶反对称伞形模态固有频率分别降低30.6Hz、45.7Hz、64.8Hz和87.2Hz。利用ANSYS有限元软件和SIMPACK动力学软件建立了带制动盘的柔性轮对结构动力学模型,对动车组拖车进行整车动力学分析,获得车轮随机载荷下疲劳寿命分析的载荷谱,用FE-Safe软件对车轮的疲劳寿命进行预测。在本文的研究对象中,以德国低干扰轨道谱为轮轨输入的条件下,轮对柔性对轮轨接触垂向力和横向力影响不大。车轮辐板区域最小寿命为1400万公里,运行200万公里对应的最小安全系数为1.383,运行1400万公里时对应的最小安全系数1.0,满足使用要求。车轮所受横向力对车轮应力状态和疲劳寿命影响较大。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
第1章绪论  12-23
  1.1 论文选题背景  12-14
  1.2 优化设计方法发展及车轮优化现状  14-17
    1.2.1 优化设计方法发展现状  14-15
    1.2.2 车轮优化现状  15-16
    1.2.3 ANSYS软件提供的优化算法  16-17
  1.3 FMD的发展及在机车车辆方面的应用  17-19
  1.4 疲劳研究的发展与在机车车辆上的应用  19-22
    1.4.1 疲劳研究的发展  19-21
    1.4.2 机车车辆疲劳强度研究现状  21-22
  1.5 本文研究内容  22-23
第2章轴对称模型分析原理  23-30
  2.1 轴对称应力和相应的位移  23-26
  2.2 单元选择  26
  2.3 边界条件  26-27
  2.4 载荷处理  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章车轮形状优化  30-43
  3.1 车轮优化在ANAYS中的实现  30-36
    3.1.1 车轮优化设计变量及初始形状模型和载荷  31-32
    3.1.2 车轮优化设计约束条件及目标函数  32-34
    3.1.3 车轮优化设计结果  34-36
  3.2 车轮优化前后比较  36-42
    3.2.1 形状比较  36-38
    3.2.2 强度及应力比较  38-41
    3.2.3 辐板相关固有频率比较  41-42
  3.3 本章小结  42-43
第4章柔性轮对和制动盘的实现  43-53
  4.1 柔性轮对多体系统动力学建模原理  43-47
  4.2 生成柔性体模型  47-52
    4.2.1 有限元分析  47-49
    4.2.2 不同刚度轮对和制动盘模态比较  49-51
    4.2.3 柔性体动力学模型  51-52
  4.3 本章小结  52-53
第5章车轮随机疲劳寿命分析  53-64
  5.1 疲劳寿命分析理论  53-56
    5.1.1 线性累积损伤理论  53-54
    5.1.2 影响疲劳强度的因素  54
    5.1.3 多轴疲劳寿命预测方法  54-56
  5.2 轮对柔性对轮轨接触力的影响  56-58
    5.2.1 整车与轨道动力学模型  56-57
    5.2.2 刚柔轮对轮轨接触力比较  57-58
  5.3 载荷时间历程  58-61
  5.4 车轮应力  61
  5.5 疲劳寿命分析  61-63
  5.6 本章小结  63-64
结论  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-76
攻读硕士学位期间公开发表论文  76-77
攻读硕士学位期间参加的科研工作  77

车轮参数化形状优化与疲劳强度研究

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