论文部分内容阅读
[摘 要]本文简要介绍了100%低地板现代有轨电车转向架构架的结构，建立了有限元模型，并对构架进行了强度计算和评定，通过对构架的局部优化，使转向架焊接构架静强度和疲劳强度均满足要求。
[关键词]现代有轨电车 构架 静强度 疲劳强度 优化
中图分类号：TN657.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-292-01
1 引言
随着中国城市交通发展，各大城市都在发展轨道交通。100%低地板现代有轨电车以其无须设置站台、方便乘客上下车，特别是便于残疾人和儿童上下车的突出优点而备受欢迎[1]。
为了满足城市发展的新需求，唐山轨道客车有限责任公司设计、制造了100%低地板现代有轨电车，该车厢地板仅高出轨面350mm。该车转向架构架为整体焊接结构，作为转向架上重要的承載体和传力体，构架的结构可靠性直接关系到车辆能否安全运行[2]。因此，对构架进行静强度和疲劳强度分析，发现其结构的缺陷，进而对其进行优化设计，避免产生严重损失是十分重要的。
2 构架结构及有限元模型
100%低地板现代有轨电车构架的横、侧梁均为钢板焊接结构，横梁上设有横向止挡座，牵引拉杆座和抗侧滚扭杆座，侧梁上设有驱动装置吊座、磁轨制动装置档座、垂向减振器座、摇头止挡座、轮对提吊座以及转向架提吊座等，构架两端设有端梁。
构架的有限元模型采用Hypermesh进行前处理，采用大型有限元软件ANSYS进行有限元计算，单元类型为shell181和Solid185。轮对以质量相等的beam188单元替代，刚性连接的电机驱动装置以mass21单元和beam188单元替代，构架的有限元模型如图1。
4 载荷的确定
依据EN13749《铁路应用–轮对和转向架–转向架构架强度试验方法》确定构架所受载荷，该转向架适用于EN13749中规定的B-Ⅳ类轻轨车车辆和有轨电车的转向架。构架所受到的载荷分为超常载荷和主要运营载荷，其载荷的组合工况如表1和表2。
5 强度评定
5.1静强度的评定
构架在最恶劣的超常载荷组合工况下的应力分布如图2所示，计算结果表明，构架在超常载荷作用下最大Von-Mises应力为299.70MPa，位于构架横梁母材上，小于材料Q345的屈服强度，构架其他部分的应力均小于其材料的屈服极限值，表明构架没有永久变形的危险，满足运用要求。
5.2疲劳强度的评定
依据ORE B12/RP17《Standardization of wagon》提供的Goodman钢材疲劳极限图对构架进行疲劳强度评估。
由ORE B12/RP17和结构疲劳的相关文献可知，结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向相互垂直，根据疲劳破坏的这个显著特点，将三向应力状态转化为单向应力状态，计算应力循环的平均应力和应力幅值，根据修正Goodman曲线进行结构疲劳强度评定。
将多轴应力状态向单轴应力转化的具体方法为：
（1）取所有载荷工况下结构的最大主应力方向为基本应力分布方向，计算其与结构基准线的夹角 ；
（2）将其他载荷工况下的主应力投影到已确定的最大主应力方向上，其投影值最小的应力值确定为最小主应力 ；
（3）由最大和最小主应力值计算平均应力 和应力幅 或应力比R。
（4）计算疲劳应力值应小于由Goodman疲劳曲线确定的许用应力。
根据上述的疲劳强度评定方法，应用开发的后处理模板，对构架抗侧滚扭杆座焊缝的疲劳强度分析结果如下图3，部分节点（红色圈显示的部分）的应力超过了疲劳极限值。
根据构架的强度计算结果，选择构架其他应力较大的部位，运用上述的疲劳强度评定方法，计算得到在主要运营载荷工况下各节点的应力均在Goodman疲劳极限之内。
6.构架局部的优化设计
由5.2节可知，构架抗侧滚扭杆座焊缝处的疲劳强度不满足设计要求，因此对抗侧滚扭杆座进行了局部优化，如图4所示，优化后增加了焊缝的长度，使其应力分布更均匀，焊缝处的节点应力均在疲劳极限范围内，满足设计要求。
7 结论
根据转向架构架强度试验标准EN13749中对B-Ⅳ类轻轨车车辆和有轨电车的转向架构架的规定，确定了100%低地板现代有轨电车的构架所受载荷，应用有限元仿真软件ANSYS对构架进行了静强度和疲劳强度的计算。
分析结果表明：构架的静强度均满足运用要求；构架的抗侧滚扭杆座的疲劳强度不满足运用要求，通过对构架抗侧滚扭杆座的局部优化，使构架的所用节点的应力值均位于Goodman疲劳极限图范围内，构架的疲劳强度完全满足设计要求。
参考文献：
[1]王欢.100%低地板轻轨车量结构型式与导向机理的研究[学位论文]2008.4
[2]安琪，李芾等.工程轨道车转向架焊接构架强度与模态分析.内燃机车，2008年第9期.
作者简介：
孙晖东 男 工程师 主要研究方向：结构强度。
[关键词]现代有轨电车 构架 静强度 疲劳强度 优化
中图分类号：TN657.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-292-01
1 引言
随着中国城市交通发展，各大城市都在发展轨道交通。100%低地板现代有轨电车以其无须设置站台、方便乘客上下车，特别是便于残疾人和儿童上下车的突出优点而备受欢迎[1]。
为了满足城市发展的新需求，唐山轨道客车有限责任公司设计、制造了100%低地板现代有轨电车，该车厢地板仅高出轨面350mm。该车转向架构架为整体焊接结构，作为转向架上重要的承載体和传力体，构架的结构可靠性直接关系到车辆能否安全运行[2]。因此，对构架进行静强度和疲劳强度分析，发现其结构的缺陷，进而对其进行优化设计，避免产生严重损失是十分重要的。
2 构架结构及有限元模型
100%低地板现代有轨电车构架的横、侧梁均为钢板焊接结构，横梁上设有横向止挡座，牵引拉杆座和抗侧滚扭杆座，侧梁上设有驱动装置吊座、磁轨制动装置档座、垂向减振器座、摇头止挡座、轮对提吊座以及转向架提吊座等，构架两端设有端梁。
构架的有限元模型采用Hypermesh进行前处理，采用大型有限元软件ANSYS进行有限元计算，单元类型为shell181和Solid185。轮对以质量相等的beam188单元替代，刚性连接的电机驱动装置以mass21单元和beam188单元替代，构架的有限元模型如图1。
4 载荷的确定
依据EN13749《铁路应用–轮对和转向架–转向架构架强度试验方法》确定构架所受载荷，该转向架适用于EN13749中规定的B-Ⅳ类轻轨车车辆和有轨电车的转向架。构架所受到的载荷分为超常载荷和主要运营载荷，其载荷的组合工况如表1和表2。
5 强度评定
5.1静强度的评定
构架在最恶劣的超常载荷组合工况下的应力分布如图2所示，计算结果表明，构架在超常载荷作用下最大Von-Mises应力为299.70MPa，位于构架横梁母材上，小于材料Q345的屈服强度，构架其他部分的应力均小于其材料的屈服极限值，表明构架没有永久变形的危险，满足运用要求。
5.2疲劳强度的评定
依据ORE B12/RP17《Standardization of wagon》提供的Goodman钢材疲劳极限图对构架进行疲劳强度评估。
由ORE B12/RP17和结构疲劳的相关文献可知，结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向相互垂直，根据疲劳破坏的这个显著特点，将三向应力状态转化为单向应力状态，计算应力循环的平均应力和应力幅值，根据修正Goodman曲线进行结构疲劳强度评定。
将多轴应力状态向单轴应力转化的具体方法为：
（1）取所有载荷工况下结构的最大主应力方向为基本应力分布方向，计算其与结构基准线的夹角 ；
（2）将其他载荷工况下的主应力投影到已确定的最大主应力方向上，其投影值最小的应力值确定为最小主应力 ；
（3）由最大和最小主应力值计算平均应力 和应力幅 或应力比R。
（4）计算疲劳应力值应小于由Goodman疲劳曲线确定的许用应力。
根据上述的疲劳强度评定方法，应用开发的后处理模板，对构架抗侧滚扭杆座焊缝的疲劳强度分析结果如下图3，部分节点（红色圈显示的部分）的应力超过了疲劳极限值。
根据构架的强度计算结果，选择构架其他应力较大的部位，运用上述的疲劳强度评定方法，计算得到在主要运营载荷工况下各节点的应力均在Goodman疲劳极限之内。
6.构架局部的优化设计
由5.2节可知，构架抗侧滚扭杆座焊缝处的疲劳强度不满足设计要求，因此对抗侧滚扭杆座进行了局部优化，如图4所示，优化后增加了焊缝的长度，使其应力分布更均匀，焊缝处的节点应力均在疲劳极限范围内，满足设计要求。
7 结论
根据转向架构架强度试验标准EN13749中对B-Ⅳ类轻轨车车辆和有轨电车的转向架构架的规定，确定了100%低地板现代有轨电车的构架所受载荷，应用有限元仿真软件ANSYS对构架进行了静强度和疲劳强度的计算。
分析结果表明：构架的静强度均满足运用要求；构架的抗侧滚扭杆座的疲劳强度不满足运用要求，通过对构架抗侧滚扭杆座的局部优化，使构架的所用节点的应力值均位于Goodman疲劳极限图范围内，构架的疲劳强度完全满足设计要求。
参考文献：
[1]王欢.100%低地板轻轨车量结构型式与导向机理的研究[学位论文]2008.4
[2]安琪，李芾等.工程轨道车转向架焊接构架强度与模态分析.内燃机车，2008年第9期.
作者简介：
孙晖东 男 工程师 主要研究方向：结构强度。