车轮强度试验有限元仿真

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图 ４ 车轮螺母座有限元模型
２ 车轮有限元模型边界条件和加载方式
《装备制造技术》２００８ 年第 ５ 期
以发现，仿真分析结果和试验结果基本吻合，说明仿真分析结 果是合理的。
由于车轮是在等幅载荷作用下进行试验的，因而可采用名 义应力法对车轮疲劳寿命进行预测。通过名义应力法分析计 算，得到车轮寿命为 ７．９ 万次。
［４］ 张艳兵，姚舜才，任作新．ＰＬＣ 控制的 ４ 点调平系统［Ｊ］．华北工学 院学报，２００４，（３）：１９８－２００．
［５］ 谭 青，傅可明．自动调平系统在防空火炮中的应用［Ｊ］．武器装备 自动化，２００４，（４）：１０－１１．
［６］ 张利平．液压控制系统设计［Ｍ ］．北京：化学工业出版社，２００６．
３ 有限元计算结果分析
应用 Ａ Ｎ ＳＹ Ｓ 软件对弯曲疲劳试验模型进行分析求解，得 到图 ５ 所示的整体模型在弯曲作用下的应力大小及分布情况。 由于实际试验是动态旋转的，将车轮模型以一定角度进行旋 转，并重新加载、求解。这样便可以知道在动态旋转过程中，不 同时刻、不同载荷方向时钢圈最大应力位置。
（１）动态弯曲疲劳试验建立的车轮有限元仿真模型，完全 按照实物建模，没有简化近似处理，用旋转加载近似模拟车轮 弯曲疲劳实验台架的工作情况，影响因素考虑比较全面。仿真 的危险点位置与试验裂纹出现区域一致，说明用仿真分析方法 确定疲劳裂纹易发区域是有效的。
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．５，２００８
车轮强度试验有限元仿真
秦 宇，蔡敢为，任延举，张磊
（广西大学机械工程学院，广西 南宁 ５３０００４）
摘要：利用 ＡＮＳＹＳ 针对某车轮建立整体有限元模型，模拟车轮动态弯曲疲劳试验，得到车轮应力分布图，并对车轮寿命进行预测。然后 对某车轮螺母座刚度试验进行模拟，得到其位移变化以及螺母座局部应力分布，最后通过试验对研究结果进行了验证，可为各类机车 车轮的强度分析方法提供参考。 关键词：车轮； 强度； 有限元
图 ６ 为与仿真分析时具有相同车轮型号、结构尺寸及相同 加载条件下所得到的车轮动态弯曲疲劳寿命统计图。从图 ６ 中 可以看出，试验所得车轮钢圈寿命在 ６．５ 万次左右，与仿真分 析所得到的疲劳寿命基本吻合。说明仿真分析结果是合理的。
寿命 ｎ／万次
车轮有限元模型边界约束条件及力的加载方式对车轮的 强度分析和寿命预测结果的精度影响极大，因而选取适当的车 轮有限元模型边界约束条件及力的加载方式是十分重要的。
本文应用有限元分析软件 Ａ Ｎ ＳＹ Ｓ 对车轮进行包括加载轴 在内的整体有限元建模，并在此模型的基础上，通过旋转加载 模拟车轮动态弯曲疲劳试验，得到车轮应力分布图，分析了车 轮的强度情况，预测了车轮的疲劳寿命；接着建立车轮 １／４ 模 型，对车轮螺母座刚度试验进行模拟，从而得到螺母座局部应 力分布以及位移变化，最后通过实例对研究结果进行了验证。
Ｔ 千分表
１ 车轮有限元模型的建立
图 １ 所示为车轮动态弯曲疲劳试验装置简图。试验时用卡 盘将车轮下缘处固定在旋转体上，即紧固；在加载轴支点处施 加径向载荷，通过力臂对车轮形成弯矩；借助旋转体旋转施加
千分表 Ｔ
图 ３ 车轮螺母座试验
收稿日期：２００８－０２－２２ 基金项目：广西研究生教育创新计划资助项目（２００７１０５９３０８０２Ｍ ４２）。 作者简介：秦 宇（１９８３—），男，山西忻州人，广西大学在读硕士生，研究方向：机电系统动力学。
动态弯曲。应用 Ａ Ｎ ＳＹ Ｓ 软件的相关功能，可建立包括加载轴与 连接螺栓在内的车轮台架整体有限元模型，如图 ２ 所示。
载荷
紧固
轮輞中心线
旋转体
图 １ 动态弯曲疲劳试验方法
图 ２ 车轮动态弯曲疲劳试验台架整体模型 对于螺母座刚度试验，采用紧固力矩法，图 ３ 所示为试验 装置简图。试验时车轮固定在试验平台上，对任意一个螺母用 力矩扳手加载，施加紧固力矩为 ３０Ｎ·ｍ →１００Ｎ·ｍ →０Ｎ·ｍ → ３０Ｎ·ｍ 的载荷历程。研究对象为螺母座，基于车轮在几何形状 及载荷上的特点，为减小计算规模、节省计算时间，按前后左右 对称取 １／４。由于紧固力矩需要施加到螺母上，还要对螺母建 模。通风孔等存在与否对位移几乎没有影响，可以将其省略。可 以将模型进行必要简化，如图 ４ 所示。
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Ｒａ ｎｄｏｍ Ｆａ ｔｉｇｕｅ Ａｎａ ｌｙｓ ｉｓ ｏｆ Ｍａ ｉｎ Ｐ ｉｐｅ ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓ ｐｅ ｃｉａ ｌ Ｗａ ｔｅ ｒｉｎｇ Ｃａ ｒｔ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ＡＮＳ ＹＳ
参考文献： ［１］ 盛 英，仇原鹰．六腿支撑液压式平台自动调平算法［Ｊ］．西安电子
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《装备制造技术》２００８ 年第 ５ 期
［３］ 郭俊岑，周浚哲，唐健．基于单片机的坦克火控调试台自动调平系 统研究［Ｊ］．沈阳理工大学学报，２００６，（３）：７０－７３．
２．Ｃ ｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥ ｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅ ｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ，Ｘ ｉｈｕａ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃ ｈｅｎｇｄ ６１００３９，Ｃ ｈｉｎａ）
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ：Ａ ｉｍ ｉｎｇ ａｔｔｈｅ ｃｏｍ ｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｔｅｓ ａｎｄ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅｓ ｗ ｈｅｎ ａｒｔｉｌｌｅｒｙ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｎ ｆｉｅｌｄ，ａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ａｒ－ ｔｉｌｌｅｒｙ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＳＣ Ｍ Ａ Ｔ８９Ｃ ５１ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｃｏｒｅ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ ａｓ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｉｎｇ ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｔｉｌｔｓｅｎｓｏｒ ａｓ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｌｅｍ ｅｎｔ．Ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ－ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｍ ｉｄｐｏｉｎｔａｓ ｔｈｅ ｄａｔｕｍ ｐｏｉｎｔ．Ａ ｓ ｔｈｉｓ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｃａｎ ｌｅｖｅｌａｕｔｏｍ ａｔｉｃａｌｌｙ ａｎｄ ｉｎｃｌｉｎｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔ，ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｔｅｓ ａｎｄ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅｓ ｏｆｔｈｅ ａｒｔｉｌｌｅｒｙ ｃａｎ ｂｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｌａｂｏ－ ｒａｔｏｒｙ ｂｙ ｉｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ：Ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｔｅｓｔ；Ｓｉｎｇｌｅ－Ｃ ｈｉｐ Ｍ ｉｃｒｏｃｏｍ ｐｕｔｅｒ；Ｈ ｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ；Ｌｅｖｅｌ－ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ
对动态弯曲疲劳试验，根据试验条件可知，试验中力的加 载位置有三处：一是车轮轮辋边缘，施加的是固定载荷约束；二 是螺栓孔，通过螺母螺栓施加预紧力；三是加载轴端，在支点处 施加径向载荷。
根据弯曲疲劳试验方法，这里在车轮轮缘施加（Ａ ｌｌＤ Ｏ Ｆ） 约束，即所有六个自由度全约束，作为固定约束；在螺栓连接处 施加预紧力；在加载轴端面施加一径向力，形成弯矩。
（２）通过螺母座位移 ＦＥ Ａ 与实际试验结果相对比，两者 的误差在一定的系数范围内，具有一定指导意义。对螺母座刚 度的分析，得出螺母座的参数结构是可行的，能保证刚度要求。
（３）从 Ａ Ｎ ＳＹ Ｓ 后处理模块中可以直观地看到车轮受力后 的变形、位移和应力分布，因此可以快速准确地得到整个车轮 的基本力学特性；本文的研究工作为其它车轮的强度分析及寿 命预测具有一定的参考价值。
Ｓ ｔｕｄｙ ｏｆ Ｈｙｄｒａ ｕｌｉｃ Ｌｅ ｖｅ ｌｉｎｇ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ Ｓ ＣＭ
ＬＩＵ Ｋ ｅ－ｆｕ１ ， ＬＩＸ ｉａｏ－ｈｏｎｇ２ （１．Ｃ ｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭ ｅｃｈａｎｉｃａｌＥ ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ａｕｔｏｍ ａｔｉｏｎ，Ｘ ｉｈｕａ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃ ｈｅｎｇｄｕ ６１００３９，Ｃ ｈｉｎａ；
对于螺母座刚度试验，采用紧固力矩法对任意一个螺母用 力矩扳手施加紧固力矩为 ３０Ｎ ．ｍ →１００Ｎ ．ｍ →０Ｎ ．ｍ →３０Ｎ ．ｍ 历 程时，轴向位移不能大于 ０．３ｍ ｍ 。在前处理过程中，由于螺母螺 栓材料特殊，在受力时是基本不会产生变形的，所以我们利用 节点自由度耦合来处理螺母。在轮辐下表面与法兰盘接触区 域，设置接触对与摩擦来接近真实工作情况。根据实际试验的 边界和载荷条件，对 １／４ 车轮有限元模型的截面施加对称约 束，轮辐安装面端与法兰接触区域施加轴向的单向约束。将紧 固力矩转换为轴向力施加在螺母端面，载荷历程采用斜坡和阶 梯交替的八个载荷步来实现，有利于计算顺利收敛。
（５）：３０－３２．
［２］ 韦 倾，车轮钢制轮辋的有限元疲劳分析［Ｄ ］．南宁：广西大学，２００７．
［３］ 谢 晖，薛 峰．钢圈强度有限元分析［Ｊ］．计算机辅助工程．２００６，１５
（９）：１５９．
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接和单片机相连，无须进行 Ｄ ／Ａ 、Ａ ／Ｄ 转换，硬件电路简单。该 系统响应速度快，可靠性高，易于操作，具有较好的通用性。
中图分类号：Ｕ４６３．３４
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－ ５４５Ｘ（２００８）０５－ ００１０－ ０２
目前大多数机车采用刚性车桥，其车轮承担整机的重量与 各种工作负荷，同时把路面的工作反力传递给车架。车轮还是 行走、支承、导向和缓冲的构件。车轮结构的优劣对机车能否行 驶及行驶性能的好坏有很大的影响。车辆的作业环境复杂，施 工条件恶劣，在行驶或作业过程中振动强烈，不仅降低了机器 的使用寿命与工作性能，而且还通过各种途径传递给驾驶人 员，使驾驶人员产生疲劳，而地面不平度的随机激励是整机的 主要振动源，车轮便是这个振动的直接传递者，那么车轮性能 的好坏就显得尤为重要了。本文针对某车轮的强度分析，可以 为各类机车上使用的车轮的强度分析方法提供一定的参考。