基于有限元法的摇枕疲劳强度分析

文章编号:1008-7842(2008)05-0028-04重载货车转向架摇枕有限元分析及结构优化廖永亮,卜继玲,傅茂海(西南交通大学　机械工程学院,四川成都610031)摘　要　介绍国外重载运输的发展现状,总结出提高货车轴重是实现重载运输的有效途径。

运用大型通用有限元软件ANSY S对重载货车转向架摇枕进行了静强度分析,并对其进行结构优化使之满足AAR标准的使用要求。

关键词　重载运输;摇枕;强度;结构优化中图分类号:U2721331+17 文献标志码:A 从1978年第一届国际重载运输大会在澳大利亚柏斯城召开以来,铁路货物重载运输从提出概念到蓬勃发展经历了一个技术不断进步的过程,已被国际上公认为铁路货运的发展方向。

重载运输在美国、加拿大、澳大利亚、巴西、南非等一些国家得到了广泛的应用,以其高效率和高效益的独特优势给这些国家的铁路运输带来了巨大的经济效益。

美国铁路自发展重载运输以来,铁路货运占美国货运市场的份额直线上升,从1980年的35%增加到2000年的41%,车辆的平均载重增加了1511%,虽然运价已降至116美分/t・km,但运行成本还下降了60%,线路维修成本下降了42%,劳动生产率提高了2171倍,创造的年利润已达美国铁路历史上的最高水平(81亿美元)。

西澳大利亚的BHP重载铁路运输公司从1980年到2000年,由于开行重载列车,运输油耗下降43%,机车利用率提高36%,车轮、钢轨寿命提高3～5倍,劳动生产率提高5倍,达到6000万t・km/人年,居世界铁路之首位。

昆士兰铁路营业里程1万km(基本是窄轨1067mm), 2004～2005年货物发送量1176亿t,其中煤重载运量达111425亿t,每周开行1万t重载列车460列,年营业收入23亿澳元,税前利润1191亿澳元〔1〕。

增加列车编组数量和开发大轴重货车是提高列车质量、发展重载运输的两个重要技术措施。

采取增大轴重发展重载铁路运输已经得到世界上越来越多国家的重视。

货车摇枕的有限元分析机制B09*班 *** ************摘要：通过分析摇枕的结构特点，选用ANSYS软件作为有限元分析工具，根据摇枕结构特征及载荷情况，按照与实际相符合的原则建立摇枕模型。

依据TB/T1335-1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》，对摇枕的主要载荷进行计算和工况分析。

由于摇枕结构复杂，需要用第四强度理论进行评价，即用当量应力对静强度进行了评定。

关键词：摇枕；有限元分析；载荷工况；强度计算1、概述伴随着国家经济的迅速发展，以及我国制造业的迅猛成长和运输车辆向高速、重载和轻量化方向的迅速发展，对于运输车辆的可靠性的要求也越来越高。

摇枕作为车辆转向架主要承载部件之一，在使用过程中承受着巨大的拉、压、冲击、弯曲等交变载荷作用，工况十分复杂恶劣。

其主要失效形式是疲劳破坏，摇枕的疲劳裂纹失效问题已成为影响货车发展的重要因素。

实践证明，目前采用传统强度设计方法的机车车辆结构，在使用中暴露出不少疲劳损伤方面的问题，虽然其成因较为复杂，但在设计阶段对关键结构部件的疲劳寿命预测研究不足却是重要的原因之一。

2、基于有限元分析的理论基础(1)材料的S N-曲线Ｓ－Ｎ曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。

如图２所示，纵坐标表示试样承受的应力幅σ，横坐标表示应力循环σ。

对钢铁材次数N，S N-曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是材料的疲劳极限e料，此“无限”的定义一般为710次应力循环。

疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计的主要依据。

图1 材料的S N-曲线m N Cσ= （1）式（1）中 ：σ ——— 应 力 幅 ；N ——— 达 到 疲 劳 破 坏 时 的 应 力 循 环 次 数 ； m C 、———材料数(2)疲劳载荷类型疲劳载荷一般有稳定循环变应力和非稳定性循环变应力２种。

稳定循环分为对称循环、脉动循环和非对称循环；非稳定性循环分为规律性非稳定循环和随机性的非稳定循环。

第十四章疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。

这种现象称为疲劳破坏。

疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。

金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。

随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。

近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。

疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。

金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。

但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。

据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。

因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。

疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。

这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。

因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。

一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。

悬挂式单轨车辆摇枕强度分析戴鑫亮;王伯铭【摘要】在国内尚无有关悬挂式单轨转向架摇枕强度计算标准的情况下,结合EN 13749、UIC 515相关标准规定,以及悬挂式单轨转向架摇枕工作特点,分析出悬挂式单轨转向架摇枕的加载种类和加载条件,设计出模拟超常工况和运营工况的载荷组合.通过大型有限元计算软件ABAQUS对悬挂式单轨转向架摇枕进行了静强度分析计算,计算结果表明:摇枕承受应力最大位置为其内部加强筋与下底板焊接处.最后利用Goodman疲劳极限图对其进行疲劳判定.计算结果表明:悬挂式单轨车辆摇枕整体结构满足静强度以及疲劳强度要求.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2019(022)003【总页数】5页(P122-126)【关键词】悬挂式单轨;车辆;摇枕;强度分析【作者】戴鑫亮;王伯铭【作者单位】西南交通大学机械工程学院,610031,成都;西南交通大学机械工程学院,610031,成都【正文语种】中文【中图分类】U270.331+7;U232摇枕作为悬挂式单轨转向架的重要组成元件之一，是整个转向架的主要承载件。

其功能包括传递车体与转向架之间的横向力、纵向力和垂向力，提供二系悬挂元件的安装位置，以及限制车体与转向架的相对摆角等。

摇枕可靠性的高低对整车的安全性以及平稳性有较大影响。

目前，与悬挂式单轨相关的标准、规范尚未成型，本文以EN 13749、UIC 515标准为基础，结合悬挂式单轨转向架在实际运用过程中的特性，推演出悬挂式单轨转向架摇枕的载荷工况，用于其静强度以及疲劳强度的分析。

1 摇枕有限元模型建立摇枕整体结构主要由薄板与中心实体部分焊接而成，通过UG软件建立其三维模型(见图1)，将其几何外形导入Hypermesh软件中进行有限元前处理。

在建立摇枕有限元模型时采用2D壳单元对摇枕薄板进行划分，对于摇枕中部实体部分采用3D实体单元进行网格划分。

整个有限元模型(见图2)共使用S4R单元171 061个，C3D4单元142 632个，Beam单元32个。

基于有限元的疲劳分析方法及实践基于有限元的疲劳分析方法及实践疲劳是物体在循环荷载作用下发生的连续循环应力引起的损伤和破坏过程，对于工程结构的安全可靠性至关重要。

为了预测和评估结构在长期使用中的疲劳寿命，我们需要进行疲劳分析。

有限元方法是一种广泛应用的用于疲劳分析的数值模拟方法，它能够预测结构在不同应力循环下的寿命和破坏。

有限元方法基于结构的离散化，通过将结构划分为多个小单元来近似描述结构的力学行为。

在疲劳分析中，有限元方法可以应用于确定结构在复杂载荷历程下的应力和应变分布，并进一步评估结构的寿命。

下面将介绍有限元疲劳分析的基本步骤和实践经验。

首先，进行有限元模型建立。

有限元模型是指根据结构的几何形状和物性参数，以及实际工作条件建立的数值模型。

通过使用计算机辅助设计软件，我们可以将结构的几何形状进行精确建模，并定义结构中的材料参数和加载条件。

其次，确定结构的应力循环历程。

在实际工作中，结构往往会受到多种复杂的载荷作用，在疲劳分析中需要对这些载荷进行定量描述。

一般情况下，我们可以通过实验测量或者数值模拟来获取结构在不同工况下的应力循环历程。

接下来，进行疲劳寿命预测。

通过有限元分析软件，可以计算出结构在不同应力循环下的应力和应变分布。

利用经验公式或者材料的疲劳性能曲线，可以计算出结构在不同应力循环下的疲劳寿命。

疲劳寿命预测是疲劳分析的核心内容，它可以帮助工程师判断结构的安全性，进而进行优化设计。

最后，进行疲劳寿命验证。

在疲劳寿命预测的基础上，需要通过一定的实验验证来确定与有限元分析结果的一致性。

疲劳试验可以使用转子转速、台阶加载或实际工况加载等方法进行，通过实验可以验证有限元模型的准确性和可靠性。

对于疲劳分析的实践经验，有以下几点需要注意：1.准确建立有限元模型。

有限元模型的准确性关系到疲劳分析结果的可靠性。

在建模过程中，需要仔细考虑结构的几何形状、边界条件和材料参数等因素，确保模型与实际工程结构相匹配。

基于有限元法的机械零部件疲劳寿命预测随着机械工业的快速发展，机械零部件的质量和寿命成为了制造业中的重要问题。

疲劳寿命是机械零部件能够经受多少次加载循环而不发生破坏的能力，因此对于机械设计和工程分析来说，疲劳寿命预测至关重要。

为了准确预测机械零部件的疲劳寿命，工程师们常常使用有限元法。

有限元法是一种基于数值计算的工程分析方法，通过将结构分割成小的有限元单元，利用单元边界上的位移和力的关系来求解整个结构的应力和变形。

在疲劳分析中，有限元法能够考虑到复杂的载荷作用、材料非线性和结构几何非线性等方面的影响，因此被广泛应用于机械零部件的寿命预测。

首先，疲劳寿命预测需要建立合适的有限元模型。

模型的准确性和精度直接影响到预测的结果。

在建立模型时，需要将机械零部件的几何形状、材料性质和加载条件等因素考虑进去，并进行合理的简化和理想化。

同时，还需要选取合适的网格划分和单元类型，以确保模型的数值计算稳定和精确。

其次，疲劳寿命预测需要确定适当的疲劳损伤准则。

疲劳损伤准则描述了当应力历程超过材料疲劳极限时所产生的损伤情况。

常见的疲劳损伤准则包括极值法、线性累积法和稳态强度法等。

其中，极值法是一种简化的方法，假设疲劳寿命与最大应力的幂律关系，但对于不同的材料和零部件来说，这种假设并不总是准确的。

因此，选择适当的疲劳损伤准则十分重要。

然后，疲劳寿命预测需要获取真实的加载历程。

实际工作条件下的零部件往往会受到多种复杂的加载作用，如振动、冲击和变温等。

因此，在预测中需要获取到真实的加载历程，并将其作为输入数据来模拟零部件在实际工作中的疲劳行为。

可以通过传感器和数据采集系统来获取实验数据，或利用计算机辅助工程软件来模拟真实的工作环境。

最后，疲劳寿命预测需要进行合理的结果分析和验证。

通过对预测结果的分析和比对，可以评估模型的准确性和可信度。

与实验结果进行对比可以发现潜在的差异和偏差，并进行模型修正和调整。

此外，还可以通过实验验证的方法来进一步验证模型的可靠性和适用性。