机车转向架构架强度的有限元分析

某型地铁车辆转向架构架疲劳强度优化某型地铁车辆转向架构疲劳强度优化地铁作为城市重要的公共交通工具，具有快速、安全、环保等诸多优点，在城市交通中发挥着重要作用。

而地铁车辆的转向系统对于乘客的乘坐舒适性和行车安全至关重要。

然而，长时间行驶和大负荷工况下，地铁车辆转向架构可能面临疲劳断裂的风险。

因此，对地铁车辆转向架构的疲劳强度进行优化具有重要意义。

某型地铁车辆转向架构通常由转向器、横梁和连接杆等部件组成。

这些部件经常承受着受力和振动，从而导致疲劳损伤。

为了优化疲劳强度，需要从结构设计、材料选择和工艺优化三个方面进行改进。

首先，从结构设计的角度来看，合理的结构设计可以减小转向架构的应力集中现象，并提高其抗疲劳性能。

一种常见的优化方法是采用有限元分析，通过模拟和计算分析不同载荷和工况下的应力分布情况，找出极限应力点，并加强或者优化这些部分的结构。

此外，采用增加连接点数量、改变连接点位置的方式，也可以有效减小应力集中。

其次，材料选择也是优化地铁车辆转向架构疲劳强度的重要因素。

通常情况下，需要选择具有高强度和韧性的材料来使转向架构具备更好的疲劳寿命。

目前常用的材料包括铁基合金、高强度钢和铝合金等。

通过材料试验和工程实践，可以选择最适合地铁车辆转向架构的材料，以确保其寿命和安全性能。

最后，工艺优化也是提高地铁车辆转向架构疲劳强度的重要手段。

合理的工艺控制可以消除缺陷和应力集中点，提高转向架构的无缺陷率。

对于铸铁转向器的制造，可以通过改进液态金属充模工艺，控制金属的凝固过程，减少凝固缩孔和夹杂物的发生。

此外，优化焊接工艺、热处理过程和表面处理方法，也可以提高地铁车辆转向架构的疲劳寿命。

综上所述，某型地铁车辆转向架构疲劳强度的优化是确保地铁运行安全的关键要素之一。

通过结构设计的改进、材料选择的优化和工艺的改进，可以提高地铁车辆转向架构的疲劳强度，延长其使用寿命，确保地铁运行的安全性和可靠性。

同时，在实际的工程应用过程中，还需要考虑成本、制造难度和可行性等因素，综合各方面因素进行综合权衡，寻求最佳的解决方案综合考虑地铁车辆转向架构的结构设计、材料选择和工艺优化等方面，可以有效提高其疲劳强度并延长使用寿命，从而确保地铁运行的安全性和可靠性。

地铁车转向架构架的疲劳强度分析地铁车转向架构架的疲劳强度分析本文利用HyperMesh建立构架的有限元模型，参照UIC615-4标准对构架加载主要运营载荷，用RADIOSS求解各工况下的应力，并计算出关键点的应力幅和平均应力。

然后用HyperGraph软件绘制材料的Goodman疲劳极限图和关键点的平均应力和应力幅的关系，根据Goodman图完成了构架的疲劳强度分析，得出构架的疲劳强度合格的结论。

1 引言转向架是地铁车辆的重要部件之一，它直接承载车体重量，保证车辆顺利通过曲线。

同时，转向架的各种参数也直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。

构架作为转向架其余零部件的安装基础，不仅要将车体重量和运行中的振动载荷传递到轮对，还要承受连接在其上的牵引、制动与悬挂系统部件所产生的各向载荷。

由于构架有如此复杂的受力状态，因此，有必要在转向架的设计阶段对构架的疲劳强度进行评估。

本文以地铁车转向架的构架为研究对象，利用Altair公司的HyperMesh软件建立构架的有限元模型，并利用RADIOSS求解器软件求解构架在几种典型的工况下的应力，计算出关键点的应力幅和平均应力，根据材料的Goodman图，完成了构架的疲劳分析。

2 构架的有限元模型转向架构架为全封闭焊接结构，主要由2个侧梁和2个横梁组成，构架侧梁整体呈U形的箱型焊接结构，构架两端的下侧设有橡胶弹簧安装座，中央上部设有空气弹簧安装座。

构架的横梁也采用封闭的箱型焊接结构，横梁的外侧斜对称位置设置电机吊座和齿轮箱吊座，下侧的斜对称位置设有牵引拉杆座，两个横梁之间设有横向止档座。

横梁和测量内部还设有多块筋板，以加强构架的强度。

利用HyperMesh软件建立的构架的有限元模型如图1所示，有限元建模过程中按照构架的实际结构进行离散，除电机吊座和齿轮箱吊座用实体单元外，其余结构全部用板单元离散。

考虑电机惯性对构架强度的影响，在电机质心处建立一个节点，用刚性单元将该节点与电机吊座连接。

铁道车辆转向架构架疲劳强度研究研究背景铁道车辆转向架是保证列车在行驶中正常转向和稳定行驶的关键部件。

由于长时间的使用和高强度的工作负荷，转向架会经受来自车辆自身和轨道的巨大冲击和振动，容易导致疲劳损伤。

因此，研究转向架的疲劳强度，对确保铁道车辆的运行安全和提高转向架的使用寿命具有重要意义。

研究目的本文旨在探讨铁道车辆转向架的疲劳强度及其影响因素，为提高转向架的可靠性和使用寿命提供理论依据。

转向架的结构与功能转向架是连接车轮和车体的重要部件，主要由横梁、侧架、轴承、齿轮等组成。

它的主要功能包括支撑车轮、传递车辆重量和转向力、减震和缓冲等。

疲劳强度分析方法1.应力分析：通过有限元分析等方法，模拟转向架在实际运行条件下所受到的各种力，确定关键部位的应力分布情况。

2.疲劳寿命预测：根据转向架在实际运行中的载荷数据，结合疲劳寿命曲线，预测转向架的使用寿命。

3.动态特性测试：通过振动台试验等方式，测试转向架在不同工况下的振动响应，从而评估其疲劳强度。

影响转向架疲劳强度的因素1.车速和曲线半径：车速和曲线半径的增大会导致转向架受到更大的侧向载荷，增加疲劳损伤的风险。

2.载荷条件：不同运行状态下，列车所受到的载荷大小与方向会不同，对转向架的疲劳强度有重要影响。

3.材料性能：转向架所采用的材料的强度和韧性特性直接影响其抗疲劳能力。

4.设计参数：转向架的结构参数，如横梁长度、轴承布置方式等，也会对其疲劳性能产生影响。

疲劳强度改进措施1.材料优化：选择高强度、高韧性的材料，提高转向架的抗疲劳能力。

2.结构改进：优化转向架的结构设计，减轻其自重，减少应力集中点，提高疲劳寿命。

3.装配工艺：提高转向架的装配精度，减少装配应力，防止缺陷引起的裂纹扩展。

4.检测监测：建立转向架的实时监测系统，及时发现损伤并进行修复或更换。

实验研究与工程应用1.利用有限元分析、振动台试验等方法，开展转向架的疲劳强度试验研究，验证理论模型和分析方法的准确性和可靠性。

农业装备与车辆工程2015年0引言机车转向架上有许多附件，其中包括扫石器、车梯、排障器、轨面清扫器等，基本都是焊接结构或者是螺栓连接固定在转向架构架上的。

机车在运行过程中，会受到来自各个方向的振动，容易形成安全隐患。

因此，这些附件务必需引起足够重视，在设计阶段就要尽可能考虑到各种因素，提高机车运行的安全性，以满足我国铁路现代化高速重载机车的要求[1]。

本文利用CAE 软件中ANSYSWorkbench 的结构分析模块，对HXN3型机车转向架车梯进行静力分析,找出设计上的缺陷，并对车梯进行优化设计。

1HXN3型机车车梯模型1.1车梯三维实体模型该车梯通过4根螺栓连接到转向架构架上，车梯主要由两块侧板，3个踏板和3个横梁组成。

由车梯尺寸和平面图可以画出车梯的三维实体模型。

图1是采用Pro/E 软件建立的车梯三维实体模型。

1.2车梯主要部件材料特性参数1.3车梯有限元网格的划分在有限元模型的建立过程中，有限元网格的划分尤其重要,其划分的质量直接影响到计算的收稿日期：2014-12-15修回日期：2015-01-06doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2015．04．015HX N 3型机车转向架车梯的强度分析及设计胡久林,朱建伟,殷龙（116028辽宁省大连市大连交通大学交通运输工程学院）［摘要］HX N 3型大功率交流传动内燃机车转向架车梯的安装折弯处螺栓孔位置产生严重的裂纹，影响了机车的安全运行。

通过采用美国ANSYS 公司商业版ANSYS 软件对该型车梯的垂向、横向和纵向三个方向进行有限元强度分析，找出车梯产生裂纹的原因，并提出合理的改进方案。

［关键词］转向架；车梯；强度分析；ANSYS ［中图分类号］U495［文献标志码］A［文章编号］1673-3142(2015)04-0062-05Analysis of HX N 3Locomotive Bogie Ladder Strength and Its DesignHu Jiulin ，Zhu Jianwei ，Yin Long（School of Traffic and Transportation ，Dalian Jiaotong University ，Dalian City ，Liaoning Province 116028，China ）［Abstract ］Severe cracks happen to HX N 3high－power locomotive bogie ladder ’s bolt hole at the bending part ，and affect safeoperation．By finite element analysis to the strength of the locomotive ladder in vertical ，horizontal and longitudinal directions using the commercial version of ANSYS software from ANSYS company ，the reason that causes cracks is found and reasonable solution is proposed．［Key words ］bogie ；ladder ；strength analysis ；ANSYS农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING第53卷第4期Vol．53No．42015年4月April 2015图1原始结构车梯三维实体模型Fig.1Three-dimensional model of original structure ladder表1车梯各部件材料物理参数[2]Tab．1Physical parameters of materials for ladder parts ［2］部件名称材料弹性模量E /GPa 泊松比μ质量密度ρ/（kg/m 3）屈服强度(N/m 2)侧板Q3452060.2807850 3.45×108踏板Q2352120.2887860 2.35×108横梁Q3452060.28078503.45×108第53卷第4期精度和速度[3]。

目录一结构简介 (1)二计算载荷工况 (2)三有限元模型 (5)四静强度分析结果 (10)一、结构简介本次作业以某转向架构架为几何模型，进行静强度分析，下图为本次计算针对的某型转向架几何模型，结构上由侧架、摇枕、转臂座、齿轮箱吊挂、轴箱吊挂、一系减震器座等组成。

整个计算主要分为网格划分和静强度计算两个过程。

图1 某型转向架几何模型（a）图2 某型转向架几何模型（b）二、计算载荷工况根据要求，对转向架采取如下的加载方式： 1、约束图3 约束要求如下的局部视图中圈出处即为所加的约束之一；图4 模型中所加约束之一2、载荷在此点出建立Z 方向的位移约束在此点出建立X 、Z 方向的位移约束在此点出建立X 、Y 、Z 方向的位移约束在此点出建立Y 、Z 方向的位移约束图5 受力要求模型中加载作用力的局部视图如下（注：图中坐标系中红色为X 轴，绿色为Y 轴，蓝色为Z 轴）；图6 Z 轴正向26.2kN 的力在此处加26.2KN 的力，力的方向为Z 轴负方向在此处加26.2KN 的力，力的方向为Z 轴正方向在此处加45.6KN 的力，力的方向为X 轴正方向中心销半圆内部分（Z 方向距上盖板80mm,距下盖板131mm ，X 方向距离圆心7mm ）图7 Z轴负向26.2kN的力图8 中心处加载X轴正向45.6kN的力计算工况如下表1所示表1 工况工况横向（X向）纵向（Y 向）垂向（Z向）1 -- --+三．有限元模型整个模型由两类网格组成：构架采用壳网格单元建立模型，转臂座构件采用六面体网格建立模型；其中壳网格单元以四边形网格为主。

有限元模型重量为1422.015kg，结点总数为81382，单元总数为74991。

有限元模型如图9~12所示。

图9 壳单元模型（1/4模型）图10 转臂座实体网格模型图11 整体网格（a）图12 整体网格（b）需考虑对各个连接处的连接方式，根据工厂要求，具体连接处及连接方式可参考如下要求。

基于RADIOSS的地铁车转向架构架的静强度分析本文运用Altair公司的HyperMesh软件建立了地铁车转向架构架的有限元模型，并参照UIC 615-4和JIS E 4208标准对构架施加载荷，采用RADIOSS求解器求解构架在各附加工况下的应力，完成了构架的静强度分析。

1 概述转向架是地铁车辆的重要部件之一，它直接承载车体重量，保证车辆顺利通过曲线。

同时，转向架的各种参数也直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。

构架作为转向架其余零部件的安装基础，不仅要将车体重量和运行中的振动载荷传递到轮对，还要承受连接在其上的牵引、制动与悬挂系统部件所产生的各向载荷。

由于构架有如此复杂的受力状态，因此，有必要在转向架的设计阶段对构架的强度进行评估。

本文以某A型地铁车转向架的构架为研究对象，利用Altair公司的HyperMesh软件建立构架的有限元模型，并利用RADIOSS 求解器软件求解构架在几种典型的工况下的应力，并用HyperView软件查看构架的应力分布，进行结果的后处理，从而完成了构架的静强度分析。

2 构架的静强度分析2.1 构架的基本结构及有限元模型目前，全封闭箱型结构的H型构架应用广泛，该型构架用低合金高强度钢板焊接而成，具有质量轻、强度大、寿命长的特点。

构架主要由2根侧梁和2根横梁组成。

侧梁与横梁内部设有多块筋板，用以加强构架的强度，提高构架主体结构的可靠性。

构架的两侧梁两端有轴箱支座，可安装锥形弹簧；中部设有空气弹簧安装座。

此外，构架上还有齿轮箱吊座、牵引拉杆座和电机吊座等结构，利用HyperMesh软件建立的构架的有限元模型如图1所示。

点击图片查看大图图1 构架的有限元模型2.2 构架的静强度分析工况本文按照UIC 615-4和JIS E 4208标准对地铁车转向架构架进行强度计算，根据应力计算结果，评估构架的静强度。

构架强度计算的载荷参照UIC 615-4和JIS E 4208标准中的附加载荷确定。

【分析】车架刚度及强度的有限元分析展开全文车架是汽车主要的承载部件，汽车大部分部件如：动力总成、驾驶室、货箱和车桥等都与车架直接相连。

因此车架就必须具有足够的刚度和强度以保证有承受冲击载荷和忍受各种工况的能力。

由于车架本身结构的复杂性。

无法用传统的计算方法实现对车架的精确计算，而随着计算机技术发展所逐渐兴起的有限元方法可有效地计算车架在各种工况下的响应。

进而为后续设计提供有力的理论依据。

有限元法的基本思想是将一个复杂的结构拆分成有限个单元，对这些单元分别进行分析。

建立位移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构。

形成整体结构的刚度方程后再进行计算。

目前大多的车架有限元分析在模拟车架组成梁之间的连接时，大都采用点对点刚性连接直接将其连接，这种模拟方法相对于实际情况误差较大。

本文采用MPC184单元设计了合理的连接模拟形式。

相对而言可降低结果误差。

1 有限元模型的建立以某边梁式车架为研究对象，其由左右分开的两根纵梁和若干根横梁组成。

纵梁和横梁是由薄壁型钢制成，再通过焊接和铆接而形成整体。

在有限元前处理软件Hypermesh中对车架进行单元划分。

忽略半径5 mill以下的孔、过渡圆角、倒角及2 mill以下的搭接边上的凸台。

单元选用二维4节点壳单元Shell43，Shell43单元可有效地模拟一定厚度的板壳及其线形和弯曲变形。

单元每个节点均具有6个自由度，即，y,z向平动自由度和绕，y，轴的转动自由度。

在平面内变形为线性变形，对于非平面的情况单元采用对组成向量进行混合插补的方法。

从而使对车架的模拟更为合理。

纵梁、横梁及其连接板之间的铆钉连接，选用如图l所示的连接模拟方式。

采用刚性连接单元MPC184单元MPC184单元是由一组通过使用拉格朗日算法来实现运动学上的约束的多点约束单元组成。

可用于模拟两个变形体之间的刚性约束或常在工程实际应用中被用来作为传递力和力矩的刚性组件。

第37卷第1期2008年2月小型内燃机与摩托车S MALL I N TERNAL COM B UST I O N ENG I N E AND MOTORCYCLEVo.l37No.1Feb.2008摩托车车架强度的有限元分析惠记庄邹亚科(长安大学工程机械学院陕西西安710064)摘要:应用有限元软件ANSYS对所设计的摩托车车架强度进行了分析。

针对不同工况,对车架结构做了静态的应力和应变分析,用动载系数法做了动态的应力和应变分析。

指出了车架结构的薄弱环节,说明改进途径。

结果表明,应用ANSYS可以较准确地分析摩托车车架上各点的应力、位移情况,为改进摩托车车架受力状况和结构优化设计提供理论依据。

关键词:摩托车车架有限元强度分析中图分类号:U483文献标识码:A文章编号:1671-0630(2008)01-0028-03Fi nite E lem ent Analysis of Strength ofM otorcycle FrameH ui Jizhuang,Zou YakeConstruction M achinery D epart m en,t Chang a'n University(X ia'n,710064)Abst ract:W e applied finite ele m ent so ft w are ANSYS to analyze the strength of the m o torcycle fra m e w hich has been desi g ned.The dissertation i n cl u des static stress and defor m ation under d ifferent w ork cond itions,using the w ay o f dyna m ic load coefficient to ana l y ze the dyna m ic stress and de for m ati o n.The key place o f dangling stress is pointed out and the i m prov i n g m ethods are exp lained.The results sho w that t h e applied ANSYS can g i v e an accurate ana l y sis on every po i n t's stress and defor m ation of m o torcycle fra m e,this can offer theory foundation for the i m prove m ent o f the stress ofm o torcycle fra m e and the opti m ized desi g n of structure.K eyw ords:M otorcycle fra m e,F i n ite ele m en,t Streng t h analysis引言良好的力学承载能力是车辆性能和安全性的重要保证。

某型动车转向架构架静、动强度分析摘要：本报告对某型转向架构架进行静、动强度分析,构架计算载荷的确定方法和强度评估的方法参照日本工业标准JISE4208“铁道车辆转向架构架设计通用技术条件”。

构架有限元应力计算采用美国ANSYS公司商业版ANSYS5.6软件进行。

关键词：转向架强度载荷1载荷条件1.1 转向架主要技术参数● 轴距（mm） 2200● 牵引电机重量(kg) 630● 联轴节 (kg) 32● 转向架重量（kg） 6950● 齿轮箱重量（kg） 392● 轮对重量（kg） 1040● 轴重（t） 14.01.2载荷条件静载荷为车辆静止状态下作用在构架上的载荷，按（1）式计算式中W–作用在构架上的静载荷；W1–一台转向架所分担的车体自重；W2–一台转向架所分担的载重；W3–构架和构架与车体之间的零部件的自重。

1.3动载荷动载荷为车辆运行状态下作用在构架上的载荷，看作是静载荷的附加成分。

速度为100km/h左右的电动车转向架构架所受的动载荷，见表1。

表1. 电动车组转向架构架动载荷说明表2强度评估方法2.1应力计算在构架上作用静载荷和动载荷的情况下，按每种载荷计算应力、区分为平均应力和动应力并按下述方法进行应力合成：平均应力平均应力为静载荷产生的应力，但具有脉动载荷时的平均应力，应把脉动载荷所产生应力的1/2附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；动应力动应力为动载荷产生的应力。

2.2许用应力JIS E4207设计通则规定，采用图1所示的疲劳极限图进行疲劳强度评价。

由转向架构架静载和动载计算的构架各处的平均应力和动应力，均应在疲劳极限图的界限之内。

3计算模型3.1结构离散模型取整个构架进行分析，采用四边形或三角形线性板壳单元建立有限元模型。

整个构架结构离散为33169个板单元。

3.2约束条件在轴箱弹簧座处施加弹性边界元约束。

弹性边界元刚度：垂向0.70MN/m；横向 2.1 MN/m；纵向3.2 MN/m。

铁道车辆转向架构架疲劳强度研究铁道车辆转向架构疲劳强度研究1. 引言铁道车辆作为重要的交通工具，其安全性和可靠性备受关注。

转向架作为车辆的关键部件之一，其疲劳强度对车辆的运行安全具有重要影响。

因此，对铁道车辆转向架构造进行疲劳强度研究具有重要意义。

2. 转向架构造及其作用转向架是铁道车辆的重要组成部分，主要由车轮、轮轴、轮对、承载架等构成。

其作用是支撑车辆重量、传递牵引和制动力，同时保证车辆的稳定性和操纵性。

3. 疲劳强度的概念及影响因素疲劳强度是指材料在循环载荷下发生疲劳破坏的能力。

铁道车辆转向架的疲劳强度受到多种因素的影响，包括材料的强度、载荷的大小和循环次数等。

4. 疲劳强度的评估方法为了评估转向架的疲劳强度，可以采用有限元分析、应力集中因子法和疲劳试验等方法。

有限元分析可以通过建立转向架的数值模型，计算其应力和应变分布，进而预测疲劳寿命。

应力集中因子法则通过提取关键部位的应力集中因子，进行疲劳寿命预测。

疲劳试验则通过对转向架进行实际加载，观察其疲劳破坏形态，评估疲劳强度。

5. 疲劳强度优化设计为了提高转向架的疲劳强度，可以采取优化设计的方法。

例如，可以通过增加材料的强度、改变结构的几何形状、优化焊接工艺等手段，来提高转向架的疲劳寿命。

6. 疲劳强度监测与维护为了保证转向架的安全运行，需要进行定期的疲劳强度监测和维护。

可以采用无损检测技术，如超声波检测、磁粉检测等，对转向架进行检测，及时发现潜在的缺陷和疲劳损伤，并进行修复或更换。

7. 结论铁道车辆转向架的疲劳强度研究对保障车辆的运行安全具有重要意义。

在研究过程中，需要综合考虑材料、结构和加载等因素，并采用合适的评估方法和优化设计手段，以提高转向架的疲劳寿命。

同时，定期进行疲劳强度监测和维护，可有效延长转向架的使用寿命，确保铁道车辆的安全运行。

通过进一步的研究和应用，有望提高铁道车辆转向架的疲劳强度，为乘客提供更安全、舒适的出行体验。