CW——200K型T转向架构架建模与模态分析说明书

目录1.引言2.CW——200K型T转向架构架3.载荷工况4.计算分析评估5.模态分析6.结论7.心得体会8.模态介绍CW—200K型转向架构架结构强度分析1.引言转向架构架是车辆运行时最重要的承载部件，其可靠性能对机车的走行品质和安全性具有重要的影响，必须满足强度要求。

在上世纪六十年代前，对转向架构架的强度分析，主要采用的是经典的结构力学方法，包括近似法和精确力法，这两种方法采用了大量的假定使实际结构理想化和简单化，当构架结构越来越复杂，超静定次数增多时，这种方法计算的误差越来越大，精度越来越低。

随着计算机的普及和计算方法的发展，有限元法已成为构架强度分析的主要方法：根据构架的结构特点，建立构架的力学模型，再对构架进行离散化处理，然后用有限元分析软件进行运算。

用有限元法分析得出的理论结果和试验结果的相对误差可控制在10%的范围内。

本文对CW——200K型转向架构架焊接结构进行静强度和疲劳强度评估，载荷条件和方法参见如下标准：EN 13749、UIC 515—4、和UIC 615—4进行，许用应力和评估方法依据ERRI B12/RP17(第8版)确定。

2.CW——200K型T转向架构架2.1构架结构构架为H型钢板焊接结构，由两根侧梁和两根横梁组成。

侧梁为中间下凹的鱼腹形，由4块钢板组焊成箱形封闭结构。

侧梁内部有密封隔板使侧梁内腔成为空气弹簧的附加空气室。

横梁采用日本进口无缝钢管，外径为φ165.2mm，壁厚14.3mm。

在侧梁上焊有定位座、横向减振器座、高度阀座和防过充装置座等，在横梁上焊有盘形制动吊座，抗侧滚扭杆座、牵引拉杆座等。

在构架的焊接过程中所有部件均采用“V”型坡口，以便于机械手操作，钢板材料为16MnR（材料属性见附录表格4）即保证有足够的刚度同时又保证有良好的焊接性。

本文利用PRO/E软件建立构架装配图，如图1。

图1 转向架焊接构架2.2 有限元模型综合考虑整个构架的计算量、计算精度及构架结构的实际情况,采用ANSYS 软件对构架整体进行有限元离散和计算. 网格数量决定了计算结果的精度和规模,权衡网格数量与精确度两者的关系,最终离散出的节点数为133264 ,单元数为65798. 构架有限元离散模型如图2 所示.图二构架有限元离散模型3.载荷工况3.1 超常载荷工况在此工况下，作用在侧梁上的垂向载荷F z=1.4g(m v +C1-2m+)/4=186.0 kN;作用在构架上的横向载荷F y=2[10000+(m v+C1)g/12]=128.0 kN;10‰轨道扭曲车轮的垂向位移为25mm。

这里，g为重力加速度，m v为车体整备后质量，C1为乘客质量，m+为转向架自重，构架加载方式如图3所示计算结果表明,在超常载荷工况下,构架上最大应力发生在拉杆吊座与横梁连接的圆弧弯角部位,其值为154.0MPa。

图3 超常载荷加载方式3.2 纵向加速度(5 g) 引起的超常载荷工况该工况考虑的载荷是由转向架纵向加速度(5 g)引起的。

转向架二系簧下质量为5 940 kg ,因此每个构架的超常纵向载荷为291 kN 。

在5 g 加速度载荷作用下,构架上的最大应力发生在纵梁侧盖板与横梁连接的圆弧弯角部位,其值为230.0 MPa。

如图4：图4 纵向加速度(5 g) 有限元分析应力图3.3 模拟运营载荷工况经过计算得出作用在构架上的各种载荷如下:空簧座上的垂向载荷F z 为133.0 kN ;构架上的横向载荷F y 为82.0 kN ;纵向载荷F x 为79.8 kN ;制动载荷为28 kN ;抗蛇行减振器载荷为18 kN 。

表1 为根据UIC 515 —4 列出的用于构架疲劳评估的载荷工况。

表1 疲劳强度评估计算载荷工况一览表注: (1) α(侧滚系数) 为0.1 ;β(浮沉系数) 为0.2 。

(2) 垂向和横向载荷在相关部件中分配。

对于工况1—9，构架上各点确定应力δ1—δ1取其最小值δmin和最大值δmax，并按下式计算平均应力和应力幅值：δm=(δmin+δmax)/2,△δ=(δmax-δmin)/2各工况的有限元分析应力图见图6——图13。

计算结果如表2：表2 构架上部分主要点区的平均应力和应力幅值（MPa）应力区域具体区域平均应力(δm) 应力幅值(△δ) 母材/接头侧梁上盖板和侧板连接弯折区34.1 60.1 母材1侧梁区一系弹簧套筒与侧梁下盖板连接区35.0 45.0 母材2横测梁连接区横梁和侧梁连接区28.1 38.6 接头1纵横梁连接区纵梁下盖板圆弧角边19.7 34.3 母材34. 计算分析评估4.1 静强度评估由计算结果可知,在超常载荷工况下,构架上最大应力发生在拉杆吊座与横梁连接的圆弧弯角部位,其值为154.0MPa ,该应力小于16MnR 钢的许用应力(345 MPa) ;在纵向加速度(5 g) 引起的超常载荷作用下,构架上最大应力发生在纵梁侧盖板与横梁连接的圆弧弯角部位,其值为230.0 MPa ,也小于16MnR 钢母材的许用应力; 在各模拟运营载荷工况下,构架上的最大应力出现在侧梁上盖板与侧盖板接触的弯角处,其值为60.1MPa ,该应力小于运营工况下16MnR 钢焊接接头的许用应力(216 MPa) 。

因此,该构架静强度满足要求。

4.2 疲劳强度评估将计算出的构架大应力区域的动应力幅值和平均应力点入16MnR 钢母材/ 焊接接头的Goodman 图,动应力范围均未超出Goodman 疲劳极限图的允许范围,构架的疲劳强度满足要求。

图5为16MnR 钢母材/ 焊接接头的Goodman 疲劳极限图。

图5 16MnR 钢母材/ 焊接接头的Goodman 疲劳极限图5.模态分析转向架构架的振动会直接影响车辆运行的稳定性和乘坐舒适性。

对转向架构架进行模态分析，掌握构架的固有频率和自由振动振型，掌握转向架构架振动特性．为避免外部其它频率激励提供设计参考，对进一步更为详细的动力学分析都具有很重要的意义。

本文直接利用ANSYS中的模态分析模块对CW—200K型转向架构架进行模态分析，求解了构架的前6阶固有频率和振型，其有限元分析图见图14——图19。

计算得到的固有频率和振动状态如表3。

阶数固有频率/HZ 振型描述1 87.7横粱上下弯曲振动2 99.1 横粱向外弯曲振动3 117.1 左侧粱向外侧弯曲摆动4 125.2 左右侧梁向内侧弯曲摆动5 166.3 横梁扭曲振动6177.0 左右侧梁向两侧弯扭运动表3 构架前6阶振动频率和振型由分析知，构架的基本振型为弯曲摆动和扭曲运动，其中以侧梁的弯曲摆动为主。

6.结论依据国际铁路联盟转向架强度试验标准UIC515-4/UIC615-4，对某改进型转向架构架的主要载荷进行了详细的计算，确定了载荷的工况，应用有限元软件ANSYS 对构架在静载荷下进行了强度计算，用Goodman 曲线对危险点进行了疲劳强度评定，并对构架进行了模态分析，分析结果表明：CW—200K型转向架构架有较大的承载能力，在取最不利的载荷及工况下，该构架能够满足静强度及疲劳强度的要求，并由模态分析知，构架能够避开激振频率。

参考文献[ 1 ] 严隽耄,成建民. 车辆工程[M] . 北京:中国铁道出版社,1999.[ 2 ] 西南交通大学. N50 米轨转向架平车动力学性能计算报告[ R ] .2007.[ 3 ] 兰州交通大学. 制动梁组成试验报告[ R] . 2006.[ 4 ] 铁道部产品质量监督检验中心. 苏丹米轨弹簧、侧架、摇枕试验报告[ R] .2006.[ 5 ] 包头北方创业股份有限公司. 摇枕、侧架强度有限元分析报告[ R] .2006.[ 6 ] ANSYS Workbench13从入门到精通清华大学出版社[ 7 ] CW—220型转向架构架结构优化设计. 长春轨道客车股份有限公司转向架开发部[ 8 ] CRH2动车转向架构架疲劳强度分析. 北京交通大学7.心得体会三周的课程设计已经结束，回想整个过程最大的感受应该是完成一件事非常不容易，把事情做好就更困难了，特别是在面对一些自己专业知识不够的课题和领域时，我们表露出的更多是困惑和无奈，但是当我们通过用自己的努力使用各种方法收集资料找出问题所在直到问题解决时，我们表露出的更多是开心和成就感。

这次课程设计和上次的不同，上次大家的课题都是一样的，也就是说整个过程一样，在一个教室可以互相交流和借鉴，这样课题的完成难度就相对减低了很多，但是这次老师给每个小组一个课题，每组的内容都完全一样，有些相差特别大，这样也就是说对一些不懂的内容的学习和资料的收集都是由小组成员去完成，这就需要更多的团队分工和协作能力，整个过程就像一个产品的开发，为了在规定三周内完成课题，我们还需要提高效率，只有相互监督，相互合作才能最好的完成整个过程。

我们小组这次的课题是转向架构架的模态和静力分析，整个过程我们碰到了很多的问题，从一开始思路的理清，到步骤的确定和实施都是问题不断，所以我们不得不花很多时间在收集和阅读资料上，因为只有清楚的把问题给弄清楚，才能知道如何解决它，这也是设计过程最重要的东西。

当我写这份心得体会时，想的最多是这次课程设计虽然我们不能很深入的完成课题，但是我们经历的整个过程和花在这件事上的时间比我们的结果都重要，只有付出才有结果，但是付出了不一定有结果，做一件事花在过程上的时间比花在结果上的时间是多得多的，所以一件事最重要的也是过程。

我们很享受整个设计的过程，也完成了我们预期的任务，所以我们非常满意整个结果。

附录表格416MnR的力学性能板厚（mm）抗拉强度σb(MPa）屈服强度σs(MPa）伸长率（%）冲击韧性值αkv (J/cm2冷弯试验180℃6-16 510-640 ≥345 ≥21 ≥31 d=2a ＞16-36 490-620 ≥325 ≥21 ≥31 d=3a ＞36-60 470-600 ≥305 ≥21 ≥31 d=3a ＞60-100 460-590 ≥285 ≥20 ≥31 d=3a ＞100-120 450-580 ≥275 ≥20 ≥31 d=3a 该钢号的弹性模量（杨氏模量）：212000MPa，泊松比：0.31，密度7.85g/cm3图6——图13：工况图图6 工况1分析应力图图7 工况2分析应力图图8 工况3分析应力图图9 工况4分析应力图图10 工况5分析应力图图11 工况6分析应力图图12 工况7分析应力图图13 工况8分析应力图关于模态模态分析：模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。