高速转向架构架强度及模态分析研究
动车转向架构架疲劳强度分析
动车转向架构架疲劳强度分析摘要：随着动车工程的不断进步与发展，研究动车转向架构架疲劳强度极为关键。
本文首先对相关内容做了概述，分析了构架结构和制造过程中的相关工艺，在探讨质量控制模式构建的基础上，结合相关实践经验，分别从构架制作等多个角度与方面就构架制作工艺运用遇到的难点和解决办法做了深入研究，望对相关工作的开展有所裨益。
关键词：动车转向架；构架；疲劳强度；分析1前言随着动车转向架应用条件的不断变化，对其构架疲劳强度分析提出了新的要求，因此有必要对其相关课题展开深入研究与探讨，以期用以指导相关工作的开展与实践，并取得理想效果。
基于此，本文从介绍架构制造相关内容着手本课题的研究。
2构架结构和制造过程中的相关工艺探究2.1以地铁车辆为代表的“结合型”构架2.1.1结构特点（1）H型结构，横梁和侧梁大件组合。
（2）侧梁为U型结构。
（3）轴箱弹簧座为8处阶梯平面结构，通过一系橡胶弹簧与轮对轴箱组成联接。
（4）横梁结构复杂，连接转向架其他系统。
2.1.2工艺特点结合对地铁车辆结构特点的分析，可以进一步归纳出其工艺特点，分为三个部分：一是工序具有一定的分散性。
针对较为关键的位置还需要对其进行整体加工；二是要实施“一面两销”定位统一工艺基准；三是对三坐标进行全尺寸检测。
2.1.3工艺流程首先，需要做的就是实施一次划线；其次，进行正反实施精加工；然后对其他相关一系列的工序进行有效实施；最后，才能实施全尺寸检测。
2.2以动车组为代表的“转臂式”构架2.2.1结构特点对转臂式构架进行分析，其结构特点主要以动车组为代表进行探究，进一步提出该结构特点分为四个部分：一是H型结构组成的大件是由横梁和侧梁组成；二是侧梁属于U型结构；三是使用转臂式轴箱体以及轴箱弹簧将其架构和轮进行连接；四是横梁在结构上具有复杂性它不仅是转向架实施牵引的骨架，同时，也在一定程度上是驱动装置的骨架。
2.2.2工艺特点（1）工序分散，关键部位整体加工。
高速列车转向架构架仿真分析与试验研究
高速列车转向架构架仿真分析与试验研究摘要：本文以高速列车转向架构架为研究对象，分析了仿真分析与台架试验之间的关系，并对仿真分析与台架试验结果进行了比较。
根据分析结果，仿真分析可以指导框架测试，也可以验证仿真分析的准确性。
下面就建立了一套完整的仿真分析和测试过程，可以进一步提高高速列车仿真分析的可靠性，稳定性和准确性。
关键词：高速列车；转向架；架构仿真分析；实验引言：随着设计理念和检测方法的发展，高速列车转弯转向架框架的设计方案，是从单个早期阶段手动计算和测试，发展成模拟分析指导测试，分析测试验证模拟成绩闭环设计方法。
仿真与实验相结合的方法成为新产品开发的有效途径。
通过仿真分析来弥补测试的不足，以验证模拟分析的准确性，然后推断它是否能通过测试，验证所检测零件的仿真分析结果的可靠性。
根据最近几年经验，从工程应用的角度研究仿真分析与测试之间的关系分析，在实践中扮演行业工程师的辅助角色员工提供参考。
一、仿真分析在转向架设计中的作用目前，转向架框架的设计和验证过程主要基于UIC 615﹣4：2003《移动动力装置-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验》，UIC 5l5-4：1993《客运车辆后转向架-走行部转向架构架强度试验》，EN 13749：2011《铁路应用轮对和转向架规定-转向架构架结构要求的方法》以及TB/T 2368-2005《动力转向架构架强度试验方法》和TB/ T 2637-2008《铁路客车转向架车架、支撑和回转移动台》和其他成熟的标准，通常包括方案设计和仿真分析验证和改进，详细设计，试生产，基准测试，生产线路试等步骤。
国内整车企业将采取仿真分析和测试阶段在设计的早期阶段，根据标准中的测试负载进行仿真分析并检查设计结构的完整性，并通过基准测试和行测试以验证。
转向架设计中的仿真分析它体现在[1]：（1）优化架构。
模拟分析的发展促进结构优化和改进，以减少过去只能在测试过程中发现的潜在危险，在方案设计阶段完成结构改进，减少测试工艺的不确定性，缩短了设计到产品周期的时间。
高速动车组转向架构架静强度与动载荷分析
0 引言随着现代社会的不断发展，促使人们的生活质量也在不断提高。
高速动车组作为现代人们远行的必备工具，其安全性与人们的生活之间有着密不可分的关系。
而高速动车组转向架构架的静强度与动载荷对于转向架构架的安全性而言，有着较为重要的影响，因此就需要针对高速动车组转向架构架的静强度与动载荷展开研究与分析，最终为高速动车组的顺利运行提供良好的基础保障。
1 高速动车组转向架构架的静强度分析1.1 对接结构出现焊接热裂纹焊接热裂纹（welding hot breaking），其主要产生于接近固相线的高温之下，在出现裂纹的周边会出现沿晶界分布的特征。
通俗的来讲，焊接热裂纹就是在实际焊接的过程中，高温的液态金属凝固时间至固态时间中产生的裂纹，即为焊接金属在一次结晶的过程中所产生的裂纹。
与此同时，因为转向架管对接结构的融合性比较差，所以为了保证融合一定要开较大角度的坡口，焊接的时候边缘一定要停留保证融合良好。
否则当融合情况较差时，就会导致在焊缝边缘留下隐患，同时打压的时候在边缘出现失效。
同时由于异种母材的热膨胀系数不同，冷却过程中形成的内应力过大、同种材料焊接加热不均匀，造成冷却过程中收缩不一致、焊缝正在凝固时，零件相互错动、结晶温度间隔过大、焊缝脆性过大等问题，就会导致转向架管对接结构出现焊接热裂纹的现象。
最终这一因素就会导致，高速动车组转向架构架在静置的情况下也会出现较为严重的质量问题【1】。
1.2 焊接过程中的飞溅颗粒过大一旦在焊接的过程中出现大颗粒型飞溅时，实际焊接飞溅就会附属在导电嘴新股，这样就会导致导电嘴出现报废的情况。
当在实际使用电弧追踪功能时出现送丝不流畅的故障时，焊接设备会将实际捕捉到的焊接电流降低信号判断为干伸长过长，这时自动压强就会降低焊接干伸长，最终导致焊接线的内部能量过高造成焊丝穿过焊接板，严重的情况下还会导致导电嘴以及喷嘴融入焊接熔池内，并导致焊枪击穿焊接熔池造成漏水的情况出现。
当送丝工作出现不顺畅时，就会导致焊接弧长的具体变换、弧长过长则会导致焊接电压越高，熔宽也就会越宽，最终机会造成焊接机器人实际的焊接工作出现要咬边以及焊道宽窄不一的情况。
考虑参数不确定性的转向架构架结构强度分析
第３０卷第１期中国机械工程V o l ．３０㊀N o ．１２０１９年１月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２２Ｇ２９考虑参数不确定性的转向架构架结构强度分析智鹏鹏１㊀李永华２㊀陈秉智２１．大连交通大学机械工程学院,大连,１１６０２８２．大连交通大学机车车辆工程学院,大连,１１６０２８摘要:考虑工程实际中设计参数的不确定性,基于D 最优试验设计和可靠性理论对转向架构架进行结构强度分析.根据U I C５１０Ｇ３Ｇ１９９４标准对构架进行结构强度分析,确定受力较大部位的设计参数.运用A P D L 语言建立构架的参数化模型,并对设计参数进行D 最优试验设计,进而计算构架的结构强度.利用最小二乘法对试验数据进行拟合,建立多项式响应面函数,并对其进行方差分析,检验响应面的精度.基于高精度响应面函数,采用M o n t e ＧC a r l o 拉丁超立方抽样方法对构架进行结构强度的可靠性分析.研究结果表明:设计参数的变化对结构强度的影响较大,且各设计参数的交互作用较小.转向架构架的结构可靠度为０．９８４３,表明了不确定参数对构架结构强度和安全性的影响程度.基于D 最优试验设计的响应面法工作效率高,可为其他复杂结构的不确定性分析提供参考.关键词:D 最优试验设计;转向架构架;响应面函数;不确定性分析中图分类号:U ２７２．１D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０１９．０１．００４开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):S t r u c t u r a l S t r e n g t hA n a l y s i s o f B o g i e F r a m e s C o n s i d e r i n g P a r a m e t e rU n c e r t a i n t yZ H IP e n g p e n g １㊀L IY o n g h u a ２㊀C H E NB i n gz h i ２１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,D a l i a n ,L i a o n i n g,１１６０２８２．S c h o o l o fL o c o m o t i v e a n dR o l l i n g S t o c kE n g i n e e r i n g ,D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,D a l i a n ,L i a o n i n g,１１６０２８A b s t r a c t :C o n s i d e r i n g t h eu n c e r t a i n t y o f e n g i n e e r i n g d e s i g n p a r a m e t e r s ,t h es t r u c t u r a l s t r e n gt h a n a l y s e so f b o g i e f r a m e sw e r e c a r r i e d o u t b a s e d o n t h eD Ｇo p t i m a l d e s i g n a n d r e l i a b i l i t y t h e o r y．A c c o r d Ｇi n g t o t h eU I C５１０Ｇ３Ｇ１９９４s t a n d a r d ,t h e s t r u c t u r a l s t r e n g t h a n a l ys i s o f f r a m e sw a sm a d e t o d e t e r m i n e t h e l a r g e r f o r c e s o f t h e p a r t s ．T h e p a r a m e t r i cm o d e l o f t h e f r a m ew a s e s t a b l i s h e db y A P D L l a n g u a ge ,a n d t h e d e s i g n p a r a m e t e r sw e r e d e s i g n e db y D Ｇo p t i m a l e x p e r i m e n t s ,a n d t h e n t h e s t r u c t u r a l s t r e n gt h o f f r a m e sw a s c a l c u l a t e d ．T h e l e a s t s qu a r em e t h o dw a s u t i l i z e d t o f i t t h e t e s t d a t a ,m e a n w h i l e ,t h e p o l Ｇy n o m i a l r e s p o n s e s u r f a c e f u n c t i o nw a s e s t a b l i s h e d ,a n d t h e v a r i a n c e a n a l ys i sw a s d o n e t o t e s t t h e a c Ｇc u r a c y o f t h e r e s p o n s e s u r f a c e ．B a s e d o n t h e h i g h p r e c i s i o n r e s po n s e s u r f a c e f u n c t i o n ,t h eM o n t e ＧC a r l o L a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g m e t h o d w a sa d o p t e dt oa n a l y z et h es t r u c t u r a ls t r e n g t hr e l i a b i l i t y oft h e f r a m e s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e c h a n g e s o f d e s i g n p a r a m e t e r s h a v e g r e a t i n f l u e n c e s o n t h e s t r u c t u r a l s t r e n g t h ,a n d t h e i n t e r a c t i o n o f d e s i g n p a r a m e t e r s i sm i n i m a l ．S t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y o f t h e b o g i e f r a m e s i s a s ０．９８４３,w h i c h s h o w s t h e i n f l u e n c e s o f u n c e r t a i n p a r a m e t e r s o n t h e s t r u c t u r a l s t r e n g t h a n d s a f e t y o f f r a m e s ．T h e r e s p o n s e s u r f a c em e t h o db a s e do nD Ｇo p t i m a l d e s i g nh a sh i g he f f i c i e n c y a n d m a yp r o Ｇv i d e r e f e r e n c e f o r t h eu n c e r t a i n t y a n a l y s i s o f o t h e r c o m pl e x s t r u c t u r e s ．K e y wo r d s :D Ｇo p t i m a l d e s i g n ;b o g i e f r a m e ;r e s p o n s e s u r f a c e f u n c t i o n ;u n c e r t a i n t y a n a l y s i s 收稿日期:２０１７０９０７基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１８７５０７３);辽宁省教育厅科学研究资助项目(J D L ２０１６００１);辽宁省自然科学基金资助项目(２０１７０５４０１２９)０㊀引言转向架作为铁道车辆的重要承载部件,是保障行车安全的关键.构架作为转向架的重要零部件之一,不仅起着承载和传力的作用,而且是铁道车辆转向架其他各零部件的安装基础[１].我国列车运营速度的不断提升以及铁路线路的复杂多变对转向架的结构性能提出了更高的要求.在实际工程设计和分析中所建立的模型都是经过各种假设和理想化而得出的确定性模型.由于加工制造工艺水平的限制和人为因素的存在,使得实际生产的任何产品在材料属性㊁加工公差和载荷等方面均存在不确定性[２],因此在分析转向架构架的结构强度时考虑参数的不确定性,有助于设计阶２２ Copyright©博看网 . All Rights Reserved.段对可能出现的各种问题进行安全评判和设计参数的修改.目前,已有学者对转向架构架的结构强度进行了研究.李万莉等[３]利用A N S Y S W o r k b e n c h 软件根据U I C６１５Ｇ４Ｇ２００３标准对新型轨道运料车转向架构架进行了静强度分析.史艳民等[４]对跨座式单轨交通作业车转向架构架进行了基于４种超常载荷工况的静强度和基于G o o d m a n疲劳极限图的疲劳强度分析.李金城等[５]根据欧洲E N１３７４９标准对７０％低地板有轨电车动力转向架构架进行了静强度㊁疲劳强度和模态分析.周元[６]和卢耀辉等[２]利用A N S Y S的P D S模块,对构架静强度可靠性进行分析,得到了转向架构架参数对可靠性的灵敏度.L I等[７]利用改进的正交设计去拟合响应面,并利用A N S Y S软件对高速动车组转向架构架焊接接头进行了疲劳可靠性分析,证明了改进正交设计方法的可行性.上述研究多以确定性的参数为属性建立模型,分析转向架构结构强度是否满足标准和要求,未能考虑工程实际中参数的不确定性.基于P D S模块的不确定性分析虽然计算精度高,但是计算效率低,对复杂程度较高或模型较大的结构不适用.本文以某货车转向架构架为研究对象,综合考虑工程实际中设计参数的不确定性,对转向架构架进行结构强度的可靠性分析,进而评估设计参数的不确定性对转向架构架结构强度的影响.１㊀转向架构架设计参数的确定转向架构架的设计参数对其整体的结构性能有着重要的影响,是设计阶段对结构进行安全评定的基础.为确定关键的设计参数,提高转向架构架结构强度分析的效率,本文根据国际铁路联盟标准U I C５１０Ｇ３Ｇ１９９４对转向架构架进行结构强度分析.转向架构架整体采用S h e l l１８１壳单元,转臂座采用S o l i d１８５实体单元进行网格划分,节点总数为１２８８１９个,单元总数为１２１９７８个.在轴箱吊挂的两个圆孔采用R b e３单元模拟螺栓连接,同时在两圆孔之间采用B e a m１８８单元模拟螺栓,转臂座之间采用S p r i n g单元C OM B I N１４模拟弹簧连接,转臂座实体网格与侧梁壳单元采用刚性元模拟连接,单元类型选择C P_S T R U C.构架有限元模型见图１.根据U I C５１０Ｇ３Ｇ１９９４标准规定,转向架构架结构强度的评定为５种超常载荷工况下结构的静强度.本次分析仅施加第一超常工况下的载荷的图１㊀转向架构架的有限元模型F i g．１㊀F i n i t e e l e m e n tm o d e l o f b o g i e f r a m e情况,即在中心盘处施加３６６k N的载荷.在一系弹簧单元和转臂座弹簧单元刚性连接处的４个位置分别施加如下约束:Y㊁Z方向的位移约束,即２和３;Z方向的位移约束,即３;X㊁Y㊁Z方向的位移约束,即１㊁２和３;X㊁Z方向的位移约束,即１和３.具体约束情况见图２.图２㊀转向架构架位移约束F i g．２㊀T h e d i s p l a c e m e n t r e s t r a i n t o f b o g i e f r a m e转向架构架钢板材质为Q３４５E,屈服强度为３４５M P a,转向架构架的最大应力取有限元分析结果的最大节点等效应力,构架的应力云图见图３.由图３a可知,转向架构架的最大应力出现在中心销座孔,为１８１．９M P a,小于材料的屈服强度.通过分析转向架构架的结构应力可知,构架横梁和侧架的上下盖板与侧板对其结构应力的影响较大,可将其厚度作为结构强度不确定性分析的重要设计参数.２㊀不确定性的分析方法２．１㊀响应面法响应面法(r e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d o l o g y, R S M)是一种利用试验设计数据求解多元方程组并进行多元回归分析的经验统计建模技术[８Ｇ９].采用R S M法进行结构强度分析能够较大地提高分析效率,有利于大型复杂模型的不确定性分析.基于响应曲面的转向架构架结构强度分析流程见图４.２．２㊀D最优试验设计D最优试验设计在选择试验运行方面具有较强的预测能力,适用于每一个特定的研究.它可以设计２~２４个因素,能够最大限度地减小与３２考虑参数不确定性的转向架构架结构强度分析 智鹏鹏㊀李永华㊀陈秉智Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(a)正面轴侧图(b)反面轴侧图(c)主视图(d)侧视图图３㊀转向架构架应力云图F i g．３㊀T h e s t r e s s n e p h o g r a mo f b o g i e f r a m e该模型系数估计相关的方差,对于高度受限的设计是有用的[１０Ｇ１１].本文选择该方法对转向架构架进行试验设计.不论因变量与自变量之间存在何种回归关系,可设其回归模型为yα＝β１f１(xα)＋β２f２(xα)＋ ＋βm f m(xα)＋εα(１)式中,xα为给定的因子区域X中一点,若因子空间为p维欧氏空间,则xα为p维向量,x a＝(xα１,xα２, ,xαp); f１(xα),f２(xα), ,f m(xα)为连续函数;β１,β２, ,βm图４㊀转向架构架结构强度分析流程图F i g．４㊀T h e s t r u c t u r e s t r e n g t ha n a l y s i s f l o wc h a r t o f b o g i e f r a m e为m个待定系数;εα为服从正态分布的随机变量.若试验方案由N个试验点x１,x２, ,x N组成,则可以得到式(１)的参数估计:F(x)＝f１(x１)f２(x１) f m(x１)f１(x２)f２(x２) f m(x２)⋮⋮⋮f１(x N)f２(x N) f m(x N)éëêêêêêùûúúúúú(２)信息矩阵A＝Fᶄ(x)F(x)＝ðNα＝１fᶄ(xα)f(xα)(３) D最优设计就是使得信息矩阵的值极大化的一种设计.D最优试验设计可以使回归系数的估计值b１,b２, ,b p的方差所构成的密集椭球体的体积最小化,同时可以使模型回归预测值方差最大值达到最小[１２].基于D最优试验设计提供的初始数据点,采用二次多项式拟合设计参数与响应值的函数关系,并通过最小二乘法估计获得各项的待定系数.为判断拟合的响应面函数能否准确表示转向架构架的结构特征,需要对其进行方差分析(a n a l y s i s o f v a r i a n c e,A NO V A)和精度的检验.表１给出了五因素的方差分析表,其中,n为试验总次数.通过方差分析能够得到对响应值有显著影响的因素㊁各因素之间的交互作用以及显著影响因素的水平,进而确定设计参数选择的合理性.响应面函数精度的测定常采用r检验法.设计参数x的各个观测点与回归方程越靠近,即r２越接近１,表明回归直线和观测点越接近,响应面４２中国机械工程第３０卷第１期２０１９年１月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.表１㊀五因素方差分析表T a b ．１㊀F i v e Ｇf a c t o r a n a l ys i s o f v a r i a n c e 方差来源平方和自由度均方值因子A Q A a －１Q A /(a －１)因子BQ B b －１Q B /(b －１)因子C Q C c －１Q C /(c －１)因子D Q D d －１Q D /(d －１)因子EQ E e －１Q E /(e －１)交互效应A ˑBQ A B (a －１)(b －１)Q A B /[(a －１)(b －１)]交互效应A ˑC Q A C (a －１)(c －１)Q A C /[(a －１)(c －１)]交互效应A ˑD Q A D(a －１)(d －１)Q A D /[(a －１)(d －１)]⋮⋮⋮⋮交互效应A ２Q A A (a －１)(a －１)Q A A /[(a －１)(a －１)]交互效应B２Q B B (b －１)(b －１)Q B B /[(b －１)(b －１)]交互效应C ２Q C C(c －１)(c －１)Q C C/[(c －１)(c －１)]⋮⋮⋮⋮误差εQ εa b c d e (n －１)Q ε/[a b c d e (n －１)]总和T Q Ta b c d e n －１拟合程度越好,精度越高[１３].２．３㊀结构可靠性评估根据机械结构可靠性评估的应力强度干涉理论,假定设计参数均服从正态分布,其表达式为f X (x )＝１σX２πe x p(－１２(x －μX σX )２)(４)式中,μX ㊁σX 为分布参量,分别表示随机变量X 的均值和标准差;x 的取值范围为(－ɕ,ɕ).根据式(４),转向架构架结构可靠性评估的极限状态方程定义如下:R ＝f X (x )－S(５)式中,f X (x )为构架的最大应力;S 为材料屈服强度.根据式(５),可靠度可定义为Z ＝n ᶄN ᶄ(６)式中,n ᶄ为应力不大于强度(R ɤ０)的抽样次数;N ᶄ为抽样的总次数.对转向架构架进行可靠性评估,实际是在考虑各设计参数不确定性的条件下,求出R ɤ０的概率分布特征,评估设计参数的不确定性对结构强度的影响程度.为提高计算效率,本文采用MC L H S 对不确定性设计参数进行随机采样,基本步骤为[１４]:①将每个随机变量的分布函数按照等概率原则分成互不重叠的区间;②根据每个随机变量的概率密度函数,从每个区间任意选择一个值;③重复步骤(１)和步骤(２),直到选择了每个随机变量;④将x i 的n ᶄ个值和x j ʂi 的n ᶄ个值进行随机组合.３㊀转向架构架结构强度不确定性分析３．１㊀选择初始样本点根据第１节分析得到的转向架构架的重要设计参数,将板壳厚度和材料的弹性模量作为不确定的设计参数,运用A P D L 语言对有限元分析模型进行参数化,各设计参数的统计特征见表２.表２㊀设计参数统计特征T a b ．２㊀S t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f d e s i gn p a r a m e t e r s 设计参数下限均值上限侧架侧板t １(mm )９１０．０１１横梁侧板t ２(mm )１１１２．０１３横梁上下盖板t ３(mm )１６１６．５１７销座孔内壁t ４(mm )１９２０．０２１弹性模量E (M P a)２０３９４０２０６０００２０８０６０㊀㊀采用D 最优试验设计选取初始样本点,并将其代入到参数化的有限元分析模型中,得到试验设计后转向架构架的最大应力值.D 最优设计试验及响应值见表３.表３㊀D 最优试验设计及响应值T a b ．３㊀D Ｇo p t i m a l e x p e r i m e n t a l d e s i g na n d r e s po n s e v a l u e 试验号因素板厚t １(mm )板厚t ２(mm )板厚t ３(mm )板厚t ４(mm )弹性模量E (M P a)最大应力S m a x (M P a )１９．００１１．００１７．００１９．００２０３９４０．００１９５．３３２２９．００１１．００１６．００１９．００２０７４４２．００２０４．２９９３９．００１３．００１７．００２１．００２０３９４０．００１８６．８８９４９．００１１．８８１６．００２０．１２２０６０００．００２０４．１２７５９．００１３．００１７．００１９．６３２０６９６０．７８１８６．９３９６１１．００１２．１７１６．００１９．８５２０８０６０．００１９０．８６１７１１．００１１．００１７．００２１．００２０３９４０．００１８３．０６４８１１．００１３．００１６．００２１．００２０３９４０．００１９０．６９９９１０．０４１１．９９１７．００２１．００２０６０８２．４０１８０．６０２１０１１．００１１．００１７．００１９．００２０８０６０．００１９３．３５７１１９．００１１．００１６．００２１．００２０３９４０．００２０４．２２２１２９．６３１２．９９１６．４８２０．５５２０５９１７．６０１９１．１５４１３１１．００１３．００１７．００２１．００２０８０６０．００１７６．４５７１４１１．００１１．００１７．００２１．００２０３９４０．００１８３．０６４１５９．００１３．００１６．００１９．００２０３９４０．００２０３．９９７１６９．９７１１．００１６．４９２０．０５２０８０６０．００１９０．８０２１７１０．１５１３．００１６．００１９．００２０８０６０．００１９６．０３３１８１１．００１３．００１７．００２１．００２０８０６０．００１７６．４５７１９１１．００１１．００１６．００１９．００２０３９４０．００１９７．４０８２０９．００１２．２０１６．６３１９．００２０８０６０．００１９３．０８２１９．００１３．００１６．００２１．００２０８０６０．００２０３．９５４２２９．００１１．００１７．００２１．００２０８０６０．００１８７．１７２２３１０．７２１２．１８１６．８４１９．７４２０７２１５．４０１８６．０７３２４９．７２１１．００１６．５４２０．０８２０４８４６．４０１９０．６６４２５１１．００１１．００１６．００１９．００２０３９４０．００１９７．４０８２６１１．００１３．００１６．００２１．００２０３９４０．００１９０．６９９２７９．００１１．００１７．００１９．００２０３９４０．００１９５．３３２２８１１．００１３．００１７．００１９．００２０３９４０．００１８６．１６２２９１１．００１３．００１６．４０１９．００２０６２０６．００１８８．３１９３０１１．００１１．００１６．００２１．００２０８０６０．００１９０．９９５３１１０．５６１２．３０１６．３４１９．８１２０３９４０．００１８７．７１１㊀㊀取任意两个设计参数为坐标轴X 和Y ,根据表３通过MA T L A B２０１５b 编程绘制设计参数的样本空间,见图５.图５能够直观地反映设计点在空间的位置以及重复试验的样本点.由图５可５２ 考虑参数不确定性的转向架构架结构强度分析智鹏鹏㊀李永华㊀陈秉智Copyright©博看网 . All Rights Reserved.知,３１组设计点均匀地分布在样本空间,且某一设计点存在重复设计,其目的在于提升试验结果的可靠度与精确度,减小误差.(a )设计参数t １㊁t ２对应的样本空间(b )设计参数t ３㊁t ４对应的样本空间图５㊀设计参数的样本空间F i g ．５㊀S a m p l e s p a c e o f d e s i gn p a r a m e t e r s ３．２㊀响应面的建立根据表３得到的３１组包含仿真模型信息的数据点,利用最小二乘法求解多项式的系数,建立转向架构架最大应力的响应曲面函数:S m a x ＝－３７９３．９８７８４－７８．２４８t １＋１６．５６t ２－１７６．２３６５３t ３＋４１．６３７２t ４＋０．０５３２９E －０．７５５８９t １t ２＋３．４８７５０t １t ３－１．１９４４７t １t ４＋１．０４２８６ˑ１０－４E －２．０７６４２t ２t ３＋０．７９４６９t ２t ４－６．２２４ˑ１０－５t ２E －２．７６７９９t ３t ４－８．８５３５ˑ１０－５t ３E －７．０１６２ˑ１０－５t ４E ＋１．４１０５３t １２＋０．８５７１５t ２２＋６．９２０５９t ３２＋０．４６２８３t ４２－１．２３７７３ˑ１０－７E２(７)㊀㊀为了更好地观测不确定设计参数和构架结构强度之间的关系,图６和图７分别示出了设计参数对构架结构强度的三维响应曲面图和等高线图.㊀㊀由图６可知,设计参数的变化对转向架构架的结构强度具有一定的影响,由图６a 可以看出,侧架侧板和横梁侧板厚度的增加均会导致构架所受应力的减小,与实际情况相符.在相同的厚度变化区间范围内,相比横梁侧板,由侧架侧板厚度变化产生的应力减小程度更大,表明侧架侧板对构架结构强度的敏感性较强.由图６b 可以看出,(a )设计参数t １㊁t ２的响应曲面(b )设计参数t ３㊁t ４的响应曲面图６㊀设计参数对构架结构强度的响应曲面图F i g ．６㊀R e s p o n s e s u r f a c e o f d e s i gn p a r a m e t e r s f o r s t r e n gt ho f f r a m e s t r u c t u r e 横梁上下盖板对构架结构强度的敏感性较强.设计参数与构架结构强度的等高线形状为椭圆说明两个设计参数的交互作用显著,圆形说明交互作用不显著[１５].由图７可知,设计参数之间的交互作用显著性较低,表明在转向架构架设计时,可以忽略交互作用不显著的设计参数的变化.３．３㊀响应面的精度检验响应面的精度是保证试验设计和响应面函数有效性的基础,是进一步利用该模型进行分析的前提.通过对响应面精度的检验可以获得响应面函数的准确性及选择设计参数的显著性,有助于判定选取的设计参数是否合理.本文利用A NO V A 对该模型进行分析,结果见表４.表４中,F 值和P 值均代表相关系数的显著性,F 值越大,P 值越小,说明相关系数越显著.通过表４可知,该模型的拟合精度较高,且设计参数t １㊁t ２㊁t ３㊁t ４均非常显著,说明设计参数的选择是合理的,能够反映结构强度的变化.参数E 表现不显著,说明该设计参数对结构强度影响不大.各设计参数之间的交互作用显著性较低,说明各设计参数的相关性较小,与等高线图的分析结果吻合.响应面函数的测定系数r ２为０．９９４８,说明拟合程度较高.６２ 中国机械工程第３０卷第１期２０１９年１月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(a )设计参数t １㊁t ２的等高线(b )设计参数t ３㊁t ４的等高线图７㊀设计参数对构架结构强度的等高线图F i g ．７㊀C o n t o u r d i a g r a mo f d e s i gn p a r a m e t e r s f o r s t r e n g t ho f f r a m e s t r u c t u r e s 表４㊀响应面函数A N O V A 表T a b ．４㊀T h eA N O V Ao fR S M变异来源平方和自由度平方均值F 值P 值是否显著模型１７７２．５７２０８８．６３９５．４４＜０．０００１非常显著A (t １)３５０．８９１３５０．８９３７７．８５＜０．０００１非常显著B (t ２)５９．０７１５９．０７６３．６１＜０．０００１非常显著C (t ３)７２５．０８１７２５．０８７８０．７８＜０．０００１非常显著D (t ４)１１４．３４１１１４．３４１２３．１３＜０．０００１非常显著E (E )６．７６１６．７６７．２８０．０２２４不显著A B １０．３８１１０．３８１１．１８０．００７４显著A C ５９．２７１５９．２７６３．８２＜０．０００１非常显著A D ２５．６６１２５．６６２７．６３０．０００４显著A E ０．８２１０．８２０．８８０．３７０２不显著B C １７．７２１１７．７２１９．０８０．００１４显著B D １１．２８１１１．２８１２．１４０．００５９显著B E ０．３０１０．３００．３２０．５８４２不显著C D ２９．３７１２９．３７３１．６３０．０００２显著C E ０．１４１０．１４０．１５０．７０２８不显著D E ０．３６１０．３６０．３９０．５４７０不显著A ２４．２３１４．２３４．５５０．０５８７不显著B ２２．３６１２．３６２．５４０．１４１９不显著C ２６．９９１６．９９７．５２０．０２０７不显著D ２０．５３１０．５３０．５７０．４６８１不显著E２０．７８１０．７８０．８４０．３８０５不显著残差９．２９１００．９３失拟项９．２９５１．８６纯误差０５０总和１７８１．８６３０㊀㊀为了更好地观测响应面的拟合精度,图８和图９分别给出了试验值和预测值的相关图和残差分布图.由图８和图９可知,所有的设计点均在４５ʎ对角线附近,且残差基本控制在２．０范围内,说明转向架构架响应面函数的预测值和试验值相当接近.图８㊀试验值和预测值的相关图F i g ．８㊀T h e c o r r e l a t i o nb e t w e e n t h e e x pe r i m e n t a l a n d pr e d i c t e d v a l u e s 图９㊀试验值和预测值的残差图F i g．９㊀T h e r e s i d u a l v a l u e s o f t e s t a n d p r e d i c t e d v a l u e s ３．４㊀转向架构架结构可靠性评估基于式(４),利用MA T L A B２０１５b 软件使设计参数均产生１００００个随机数,用以进行可靠性评估,不确定设计参数的概率分布特征见图１０.根据图１０所产生的不确定设计参数,运用MC L H S 对其进行１００００次抽样,并将结果代入式(７),得到转向架构架最大应力的频率分布直方图,见图１１.由图１１可知,设计参数的不确定性使转向架构架的结构强度出现了一定的波动,主要分布在１５０~３００M P a ,同时该波动导致转向架构架的最大应力出现超出材料屈服强度的情况.相比传统意义上仅按照标准对构架进行确定性的静强度分析而言,不确定性分析能够更好地评估构架设计的合理性和安全性.将式(７)得到的计算结果代入式(５),并结合式(６),得到构架结构强度的可靠性评估结果,见图１２和图１３.图１２展示了进行１００００次计算后转向架构７２ 考虑参数不确定性的转向架构架结构强度分析智鹏鹏㊀李永华㊀陈秉智Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(a )t １产生的随机分布(b )t ２产生的随机分布(c )t ３产生的随机分布(d )t ４产生的随机分布图１０㊀不确定设计参数的概率分布特征F i g．１０㊀T h e p r o b a b i l i s t i c d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f u n c e r t a i nd e s i gn p a r a m e t e rs 图１１㊀转向架构架最大应力的频率分布直方图F i g ．１１㊀T h e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o nh i s t o gr a mo f m a x i m u ms t r e s s o fb o gi e f r a me 图１２㊀结构强度抽样历史F i g ．１２㊀T h e s a m p l i n g h i s t o r y o f s t r u c t u r a l s t r e n gth 图１３㊀结构强度可靠度收敛曲线F i g ．１３㊀T h e c o n v e r ge n c e c u r v e of s t r u c t u r a l s t r e ng th r e li a b i l i t y架的强度抽样历史,其中构架应力在２００M P a 左右居多.空心圆圈代表应力超过构架材料的屈服强度,说明在这些设计参数范围内构架是不可靠的,安全系数小于１.由图１３可知,当抽样次数较少时,设计参数的随机组合较少,构架所受应力均低于材料的屈服强度,结构可靠度为１.当抽样次数增加,构架的可靠度下降,在５００次左右时趋于收敛,得到转向架构架的结构可靠度为０．９８４３,相比确定性的结构强度分析,考虑设计参数的不确定性使得计算结果更加贴近工程实际,计算结果更加精确.４㊀结论(１)根据U I C５１０Ｇ３Ｇ１９９４对转向架构架进行结构强度分析,得到了构架受力较大处的位置为构架横梁㊁侧架的上下盖板和侧板,并将其厚度确定为结构强度分析的不确定设计参数.(２)采用D 最优试验设计并结合响应面法,对转向架构架结构强度进行不确定性分析,获得了高精度的响应面,直观地展示了设计参数的变化对构架结构强度的影响和各设计参数之间的交互作用.与传统的直接对设计参数进行抽样的强度计算比较,本文方法提高了分析效率,同时保证了分析结果的准确性,适合其他大型复杂结构的不确定性分析.(３)基于高精度响应面的结构可靠性评估,进８２ 中国机械工程第３０卷第１期２０１９年１月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.一步验证了考虑不确定设计参数的重要性.转向架构架的结构可靠度为０．９８４３,表明了在考虑设计参数不确定的条件下,构架的结构强度有超过材料屈服强度的可能性,即结构失效,因此,为确保结构设计的安全性,在设计过程中考虑参数的不确定性更加符合工程实际的需要.参考文献:[１]㊀王洪娇,杨翊仁．地铁车辆转向架构架静强度分析的一般方法研究[J]．城市轨道交通研究,２０１６,１９(１１):４３Ｇ４５．WA N G H o n g j i a o,Y A N G Y i r e n．C o n v e n t i o n a lA pＧp r o a c h t o t h e S t a t i c S t r e n g t hA n a l y s i s o fM e t r oV eＧh i c l eB o g i eF r a m e[J]．U r b a n M a s sT r a n s i t,２０１６,１９(１１):４３Ｇ４５．[２]㊀卢耀辉,曾京,邬平波,等．铁道车辆转向架构架可靠性参数灵敏度分析[J]．中国铁道科学,２０１０,３１(１):１１１Ｇ１１５．L U Y a o h u i,Z E N GJ i n g,WU P i n g b o,e ta l．P a r aＧm e t r i cS e n s i t i v i t y A n a l y s i s f o r t h eB o g i eF r a m eR eＧl i a b i l i t y o fR a i l w a y V e h i c l e[J]．C h i n aR a i l w a y S c iＧe n c e,２０１０,３１(１):１１１Ｇ１１５．[３]㊀李万莉,严俊,朱福民,等．新型轨道运料车转向架构架结构分析[J]．中国工程机械学报,２０１４,１２(４):３３６Ｇ３４１．L IW a n l i,Y A NJ u n,Z HUF u m i n,e t a l．S t r u c t u r a lA n a l y s i s o nB o g i eF r a m e f o rN e w R a i lV e h i c l e[J]．C h i n e s eJ o u r n a lo fC o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y,２０１４,１２(４):３３６Ｇ３４１．[４]㊀史艳民,缪炳荣,陈建政,等．跨座式单轨交通作业车转向架构架静强度及疲劳分析[J]．机车电传动,２０１５(５):６５Ｇ６８．S H IY a n m i n,M I A O B i n g r o n g,C H E NJ i a n z h e n g,e t a l．S t a t i cS t r e n g t ha n dF a t i g u eA n a l y s i so fB o g i eF r a m ef o r S t r a d d l eＧt y p e M o n o r a i l T r a n s p o r t a t i o nW o r k i n g V e h i c l e[J]．E l e c t r i c D r i v ef o r L o c o m oＧt i v e s,２０１５(５):６５Ｇ６８．[５]㊀李金城,李芾,杨阳．７０％低地板有轨电车动力转向架构架强度分析[J]．机车电传动,２０１６(３):８７Ｇ９１．L I J i n c h e n g,L IF u,Y A N G Y a n g．S t r e n g t h A n a l y s i sf o r７０％L o wＧf l o o rT r a m C a rM o t o rB og i eF r a m e[J]．E l e c t r i cD r i v e f o rL o c o m o t i v e s,２０１６(３):８７Ｇ９１．[６]㊀周元．基于A N S Y S的高速客车转向架构架可靠性研究[D]．成都:西南交通大学,２０１２．Z H O U Y u a n．R e l i a b i l i t y R e s e a r c ho fB o g i eF r a m ef o rH i g h S p e e d P a s s e n g e r C a r B a s e d o n A N S Y S[D]．C h e n d u:S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y,２０１２．[７]㊀L IY,Q I N Q,W A N G Y,e t a l．W e l d e d J o i n tF a t i g u e R e l i a b i l i t y A n a l y s i so nB o g i eF r a m eo fH i g hＧs p e e dEＧl e c t r i cM u l t i p l eU n i t[J]．J o u r n a l o fS h a n g h a i J i a o t o n gU n i v e r s i t y(S c i e n c e),２０１７,２２(３):３６５Ｇ３７０．[８]㊀A N G I N D,T I R Y A K I A E．A p p l i c a t i o n o f R eＧs p o n s eS u r f a c e M e t h o d o l o g y a n d A r t i f i c i a l N e u r a lN e t w o r ko nP y r o l y s i s o f S a f f l o w e rS e e dP r e s sC a k e[J]．E n e r g y S o u r c e s,P a r t A:R e c o v e r y,U t i l i z aＧt i o n,a n d E n v i r o n m e n t a l E f f e c t s,２０１６,３８(８):１０５５Ｇ１０６１．[９]㊀张伟,毛建国,魏特特,等．基于响应曲面法的煤油发动机气门正时优化[J]．中国机械工程,２０１６,２７(７):９３３Ｇ９３８．Z HA N G W e i,MA OJ i a n g u o,W E IT e t e,e t a l．O pＧt i m i z a t i o no f V a l u e T i m i n g o fa K e r o s e n e E n g i n eB a s e do n R S M[J]．C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,２０１６,２７(７):９３３Ｇ９３８．[１０]㊀D J U R I SJ,V A S I L J E V I CD,J O K I CS,e t a l．A pＧp l i c a t i o no fDＧO p t i m a l E x p e r i m e n t a lD e s i g n M e t hＧo d t oO p t i m i z e t h eF o r m u l a t i o no fO/W C o s m e t i cE m u l s i o n s[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fC o s m e t i cS c i e n c e,２０１４,３６(１):７９Ｇ８７．[１１]㊀S A L V OP,S MA J D AR,D I N IV,e t a l．ADＧO p t iＧm a lD e s i g nt o M o d e l t h eP e r f o r m a n c e so fD r e s sＧi n g sa n d D e v i c e sf o r N e g a t i v e P r e s s u r e W o u n dT h e r a p y[J]．J o u r n a l o fT i s s u eV i a b i l i t y,２０１６,２５(２):８３Ｇ９０．[１２]㊀柯作楷,唐绍裘,杜海清．DＧ最优实验设计及其在陶瓷材料研究中的应用[J]．陶瓷研究,１９８７(２):１０Ｇ１６．K EZ u o k a i,T A N GS h a o q i u,D U H a i q i n g．E x p e r iＧm e n t a lD e s i g no fDＧO p t i m i z a t i o na n dI t sA p p l i c aＧt i o ni n C e r a m i c M a t e r i a l s[J]．C e r a m i c S t u d i e sJ o u r n a l,１９８７(２):１０Ｇ１６．[１３]㊀张德丰．MA T L A B概率与数理统计分析[M]．北京:机械工业出版社,２０１０:２４５Ｇ２４７．Z HA N GD e f e n g．MA T L A BP r o b a b i l i t y a n dM a t hＧe m a t i c a lS t a t i s t i c s A n a l y s i s[M]．B e i j i n g:C h i n aM a c h i n eP r e s s,２０１０:２４５Ｇ２４７．[１４]㊀M I J,L IYF,Y A N GYJ,P E N G W,e t a l．R e l i a b i l iＧt y A s s e s s m e n t o f C o m p l e xE l e c t r o m e c h a n i c a l S y s t e m su n d e rE p i s t e m i cU n c e r t a i n t y[J]．R e l i a b i l i t y E n g i n e e rＧi n g&S y s t e mS a f e t y,２０１６,１５２:１Ｇ１５．[１５]㊀MO N T G OM E R Y DC．D e s i g n a n dA n a l y s i s o f E xＧp e r i m e n t s[M]．N e w Y o r k:J o h n W i l e y&S o n s,１９７６:３０Ｇ３５．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:智鹏鹏,男,１９８９年生,博士研究生.研究方向为C A E 关键技术㊁车辆结构可靠性㊁不确定性分析与优化.EＧm a i l: z h i p e n g１７＠y e a h．n e t.李永华(通信作者),女,１９７１年生,教授.研究方向为轨道车辆现代化设计方法㊁车辆结构的疲劳可靠性分析㊁机械产品数字仿真与优化设计㊁质量与R AM S工程.发表论文５０余篇.EＧm a i l:y o n g h u a l i＠１６３．c o m.９２考虑参数不确定性的转向架构架结构强度分析 智鹏鹏㊀李永华㊀陈秉智Copyright©博看网 . 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转向架构架技术设计强度计算分析
2006年用户年会论文转向架构架技术设计强度计算分析张开林 肖守纳 [西南交通大学机车车辆研究所]转向架构架的强度计算依据UIC 515VE 标准，并参照《高速试验列车技术条件》有关规范进行的。
1. 构架计算模型：构架结构为中间加横梁的柜形结构，由两根侧梁、横梁、牵引横梁及前后端梁组成，构架结构示意图见图1。
构架的强度计算采用ANSYS 5.31软件完成。
针对构架结构特点对构架计算模型均采用板单元进行离散。
构架有限元分析计算模型的节点数为22921个，单元总数24845个，计算模型质量为3414.5kg，构架结构模型离散图见图2。
2. 计算载荷及计算工况2.1构架基本载荷 垂向静载荷(1)其中：Fz－构架一侧垂向静载荷（kN） Mc－动力车总质量（t） Mb－转向架质量（t）(2)其中： －左侧电机座垂向静载荷（kN） －电机质量（t）模拟营运横向载荷(3)其中：Fy－构架模拟营运横向载荷（kN） Fz－构架一侧垂向静载荷（kN） 最大可能横向载荷(4)g m m F b c z )2(41−=g m F d z 107'=)5.0(5.0g m F F b z y •+=)1210(0.2max g m F c y +='z F d m2006年用户年会论文其中：Fymax－构架最大可能横向载荷（kN） 模拟运营纵向载荷机车以250km/h 的速度运行时的牵引力。
模拟纵向冲击载荷（KN）(5)由基本参数计算各载荷值如下：2.2构架载荷组合工况根据上述基本载荷对构架的计算工况进行组合，其组合工况见表一。
对于作用在侧梁上的垂直÷向载荷按面力考虑； 对于作用在电机座上的垂向载荷按面力考虑； 对于纵向载荷，按线载荷作用于相应的位置；b s m g F •=3KNF KN F KN F KN F KN F KN F s y x y y z 0.721,5.120,5.746.245,2.169,3.218max max ======2006年用户年会论文对于横向载荷，按节点载荷作用于相应的位置。
CRH380B转向架构架结构强度及可靠性分析
CRH380B转向架构架结构强度及可靠性分析CRH380B转向架构架结构强度及可靠性分析引言：CRH380B是中国发展的一种高速铁路列车，其转向架构架结构的强度和可靠性是确保列车安全和正常运行的关键要素。
本文将对CRH380B转向架构架结构的强度和可靠性进行分析和探讨，以期为相关设计和改进提供参考。
一、转向架构架结构设计特点CRH380B转向架构架结构采用了先进的设计理念和技术，具有以下特点：1. 采用轻量化材料：为了减轻列车的整体重量，减少能耗，转向架架结构采用了轻质高强度铝合金材料。
2. 强度优化设计：通过有限元分析等方法，对转向架架结构进行力学分析，优化布置各个结构部件，以提高强度和刚度。
3. 振动减震措施：考虑到高速运行过程中存在的不确定性载荷和振动，转向架架结构采用了减震装置和缓冲器，以减少振动对架结构的冲击。
二、架结构强度分析为了确保CRH380B转向架架结构的强度，需要进行强度分析。
主要包括以下几个方面：1. 转向架荷载分析：根据列车运行条件和运行速度，对转向架受到的动车组内外力进行分析，考虑到列车行进过程中的加速度、曲线半径和坡度等因素。
2. 结点载荷计算：根据转向架的结构布局，确定各个关键节点的受力情况，计算节点处的应力和变形，分析其强度和稳定性。
3. 强度校核：对于转向架结构中的关键零部件，进行强度校核计算，以确保其满足设计要求和使用寿命。
三、架结构可靠性分析除了强度分析外，转向架架结构的可靠性也是一项重要指标。
主要包括以下方面：1. 可靠性设计：在转向架架构设计过程中，要考虑到各个零部件的可靠性指标要求，例如使用寿命、可靠性指数等。
通过合理的设计参数和工艺控制，提高零部件的可靠性。
2. 可靠性评估：对于转向架架结构进行可靠性评估，可以采用可靠性分析方法，如故障树分析、失效模式和影响分析等，从而找出可能的故障原因和改进措施。
3. 可靠性验证：通过对转向架架结构进行可靠性验证测试，例如静态加载试验、振动试验等，来验证其设计和生产的可靠性。
SKMB-200型转向架构架强度与结构优化仿真分析
后构架总质量减少 109 kg，较优化前降低 6.8%；构架最大等效应力为 329.98 MPa，仍满足其强度要求。对构架结
构参数的优化可有效降低 SKMB-200 型转向架的簧下质量，进而提升其动力学性能，可为动车组转向架结构静强度分析；仿真实验
中图分类号：U266.2
SKMB-200 型转向架构架强度与结构优化仿真分析
张嘉鹭，马 军，竺亚升
（江苏师范大学 机电工程学院，江苏 徐州 221008）
摘 要：以应用于 CRH380A 型动车组上的 SKMB-200 型动力转向架构架为研究对象，基于 UIC615-4 标准计算 4
种模拟运营工况载荷及一种超常载荷，继而确定仿真分析所需的边界条件。静强度仿真结果表明：模拟运营工况
下，构架的最大应力分别为 225.7、209.0、250.3 和 196.2 MPa，超常载荷工况下构架的最大应力为 307.6 MPa，
均小于构架主材料 SMA490BW 型耐候钢的许用应力。在超常载荷工况下进行结构优化分析，分别设定侧梁上下
盖板和内外侧板的厚度为设计变量、最大等效应力为约束条件、构架最小质量为目标函数。优化结果表明：优化
文献标识码：A
文章编号：1002-4956(2021)02-0140-04
Simulation analysis on strength and structure optimization of SKMB-200 bogie frame
ZHANG Jialu, MA Jun, ZHU Yasheng
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221008, China)
一种轨道工程车转向架构架强度及模态分析
铁道技术监督RAILWAY QUALITY CONTROL 第47卷第6期Vol.47 No.6研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS一种轨道工程车转向架构架强度及模态分析张莎（宝鸡中车时代工程机械有限公司，陕西 宝鸡721003 ）摘 要：构架强度对轨道工程车辆的安全性、牵引力及运行品质有重要影响。
采用ANSYS Work- bench 有限元仿真软件，在超常载荷、模拟运营与模拟特殊运营载荷工况下，对一种轨道工程车转向架构 架进行静强度、疲劳强度评估计算与模态分析。
计算结果表明，构架静强度、疲劳强度及模态满足TB/T 2368—2005《动力转向架构架强度试验方法》和TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规 范》要求。
关键词：轨道工程车；转向架构架；有限元仿真；静强度；疲劳强度；模态中图分类号：U273 ： U270.12 文献标识码：A 文章编号：1006-9178 ( 2019 ) 06-0064-05Abstract : The frame strength has an important influence on the safety , traction and operation quality of track engi neering vehicles. By using ANSYS Workbench finite element simulation software , based on service conditions in ・ eluding overload , operation simulation and special operation load simulation , the static strength , fatigue strength evaluation & calculation and modal analysis are carried out for the bogie frame a type of track engineering vehicle. Ac cording to the calculation results , the static strength , fatigue strength and modality of the frame can meet TB/T 2368— 2005 Motive Power Units-Bogies and Running Gear-Bogie Frame Structure Strength Tests and TB/T 1335— 1996 Specification of S trength Design and Test Evaluation of R ailivay Vehicles.Keywords : Track Engineering Vehicle ; Bogie Frame; Finite Element Simulation ; Static Strength ; Fatigue Strength ; Modality0引言伴随国内铁路网建设迅速推进，铁路发展对 技术装备的需求也不断提高，其中质量稳定、安 全可靠是铁路技术装备的必须要求。
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评 估． 通 过强 度评 估 和 模态 分 析 找 出 构架 的薄 弱 部 位， 为构 架优 化 提供理 论依据 ．
Ｆ － 一（ ｎ Ｑ。 一 ｇ ） ／ ２ （ １ ）
厚ｌ Ｏ ｍｍ， 两横梁作为空气 弹簧的附加空气室分别 与两侧的空气弹簧支撑座连通． 考虑构架 的载荷 具有 不对称性 ， 故选 取 整体构 架 作为计算模型， 运用大型有限元分析软件 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 对构 架整体进行有限元离散和计算， 整个模型采用实体单 元进行离散， 为了真实的模拟构架的边界条件 ， 在构架
式 中： 为构架一侧垂向静载荷 ； ７ ＂ ／ 为每台转 向架的 轴数 ； Ｑ ｏ 为转 向架轴重； ｍ ＋为转向架质量 ； ｇ为重
收稿 日期 ： ２ ｏ １ ２ ・ ０ ９ — ０ ５ 作者简介 ： 吴 丹（ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 甘肃平凉人 ， 硕士， 主要研究方 向为车辆零部件设 计理论及应用． Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｗｕ ｄ ａ ｎ ｇ ９ ８ ＠１ ６ ３ ． ｔ ｏ ｍ
Ｄ Ｏ！ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ － ４ ３ ７ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ３ ６
高速 转 向架构 架 强 度及 模 态 分 析 研 究
吴 丹 ， 李晋 武
７ ３ ０ ０ ７ ０ ）
（ 兰州交通大学 铁道技术学 院 ， 甘肃 兰州
图 １ 构 架有 限 元模 型
Ｆ ｉ ｇ ．１ Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｄｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｏ ｆ ｆ ｒ ａ ｍｅ
２ 载荷确定
综 合考 虑构 架在 各种 运用情 况下 的受 力特性 以 及以往的经验数据 ， 参照 Ｔ Ｂ ／ Ｔ ２ ３ ６ ８ —２ ０ ０ ５标准，
从 而 评 价 构 架 的动 态性 能是 否 满 足 设 计要 求 ．
关键词 ： 构架； 有限元 ； 疲劳强度 ｝ 模态分析
中图分类号 ： Ｕ２ ７ ０ ． ３ ３ １ 文献标志码 ： Ａ
目 前 国内机车车辆制造企业在构架等承载部件 的设计阶段所进行的有限元分析主要集 中在静强度 评估上 ， 对于疲劳强度的评估则放 在线路动应力测 试和强度试验上． 但是， 由于疲 劳试验费用昂贵， 所 以， 利用有限元模型进行构架等关 键部件 的疲劳强 度评估 ， 发现疲劳强度薄弱部位， 可以降低样机疲劳 试验风险， 缩短研发周期 ， 减少产品试制成本［ １ ］ ． 本文以某型高速转 向架构架为研究对象， 依据
第３ ２卷
第 １期
兰
州
交
通
大
学
学
报
Ｖ０ １ ． ３ ２ Ｎ０ ． １
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ３
２ ０ １ ３ 年 ２ 月
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
文章编号 ： １ ０ ０ １ － ４ ３ ７ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ １ ６ １ － ０ ３
１ 构 架结构及 有限元模 型建立
构 架 采用 Ｈ 形 钢 板 焊 接结 构 ， 由两 根 侧梁 、 两
根横梁以及纵向连接梁组成． 其 中侧梁为封 闭式 的 箱形截面， 下 凹鱼腹形箱型梁体 ， 由钢板焊接而成．
构 架横 梁采 用无 缝钢 管 型材 ， 管材外径 ２ ０ ０ ｍｍ， 壁
表 １ 构架载荷工况表
Ｔ ａ ｂ ． １ Ｌｏ ａ ｄ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｏ ｆ ｆ ｒ ａ ｍｅ
ｋ Ｎ
… ’
一 ～ … 一 一 一 ～
一 ～
图 ２ 超 常 载荷 工 况下 的应 力 云 图
１ ６ ２
兰
州 交
通
大
学
学
报
第３ ２ 卷
力加 速度 ， 取９ ． ８ ｍ・ ．
其 中作用在构架上的横向载荷 为
一
０ ． ５ （ ＋０ ． ５ ｍ＋ｇ）
（ ２ ）
将各参数带入式（ １ ） 和式（ ２ ） 中， 得
Ｆ 一 １ ２ ４ ． ４ ０ ｋ Ｎ Ｆ ＝ ８ ６ ． ７ ３ ｋ Ｎ
ＴＢ ／ Ｔ ２ ３ ６ ８ －２ ０ ０ ５ （ （ 动力 转 向架构 架强 度试 验 方 法 》 标 准计算 载 荷工 况 ， 根 据构 架 的实 际情 况对 其 施 加
的轴箱弹簧安装座下用 Ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ １ ４ 弹簧单元模拟一系 轴箱弹簧装置， 弹簧单元的刚度系数和轴箱弹簧的刚 度一致． 采用节点耦合的方式模拟构件之间的焊接及 铆接， 最终 离 散 出的节 点 数为 ８ １ ９ ４ ５ ９ ， 单 元数 为 １ ６ ３
摘
要： 根据某型高速转向架构架的结构特点， 利 用 Ａｎ ｓ ｙ ｓ 软件建立构架的有限元模型 ， 依据 ＴＩ Ｔ ２ ３ ６ ８ －２ ０ ０ ５标
准和焊接材料 的 Ｇ ｏ ｏ ｄ ｍａ ｎ － ｓ ｍｉ ｔ ｈ疲劳极 限图对构架进行 疲 劳强度评估． 结 果表明 ： 各 关键 点的等 效应 力均小 于相 应的许 用应 力， 构架满足疲劳强度 的要 求． 此外 ， 还 对构架的模 态进行 了分析 ， 分析 构架在 某一频域 内的振 动模 态，
取侧滚系数 口为 ０ ． １ ， 取浮沉 系数 为 ０ ． ２ ， 依据标
准 中规 定 的载荷 工 况计 算 方 法 ， 计 算 出构架 受 到 的
１ ４ 种载荷值 ， 其 中第 １ 工况为构架超常载荷工况，
后 １ ３ 种 工 况 为构 架 模 拟 运 营载 荷 工 况 ， １ ４种 载 荷 工 况计 算方 法如 表 １所示 ． 其 中作 用在 构架 上每 侧梁 的垂 向静载 荷 为