基于“刚柔耦合”模型的转向架构架疲劳分析及结构优化方法

摘要

地铁车辆作为城市内部的主要交通运输方式之一，保证其运行安全至关重要。鉴于地铁车辆在运行过程中，频繁的启动、制动，加之轨道线路的复杂性与多变性，运行条件比较恶劣。作为地铁车辆的关键部件之一，转向架构架的疲劳破坏时有发生，因此对影响地铁车辆运行安全的关键部件转向架构架的疲劳寿命进行预测显得尤为重要。
　　造成结构产生疲劳破坏的主要原因是结构承受的多变的应力幅值扰动。以某型地铁车辆为例，该型地铁车辆转向架构架在运行使用过程中局部区域出现裂纹，其严重影响了车辆的运行安全性。为此，找到该型构架出现裂纹的原因，并对构架局部结构进行优化设计，提高其疲劳寿命，从而使其满足该型地铁车辆转向架构架的设计使用要求。本论文以地铁车辆刚柔耦合多体动力学仿真、结构有限元分析、疲劳分析、疲劳寿命预测、结构优化为研究手段，系统地对该型地铁车辆转向架构架开展研究。相关的研究工作如下：
　　(1)分析该型地铁车辆转向架构架的结构特点和受力方式。建立该型构架的有限元模型，对其进行模态分析，得到其固有振动特性及固有频率；
　　(2)基于固定界面模态综合法，采用UM-ANSYS联合仿真的方法得到该型构架的柔性体模型，结合轨道车辆多体动力学建模方法，借助于UM-RAIL建立该型地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型，分析并比较柔性构架和刚性构架在振动响应上的区别，从而突出将构架考虑成柔性体的必要性；
　　(3)系统地研究目前结构动应力的计算方法，在此基础上采用一种基于柔性体计算结构动应力的方法。结合该型地铁车辆实际运营状况，制定合理的车辆动力学仿真工况，并基于地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型系统地研究该型构架的动应力响应，得到该型构架的振动特性，并分别对其易疲劳区域进行疲劳分析，进而得知该型构架的疲劳破坏机理；
　　(4)采用准静态应力叠加法对构架易疲劳区域-电机吊座结构进行疲劳寿命预测，仿真结果与实际情况吻合的较好。采用基于疲劳寿命约束的优化方法对电机吊座结构进行尺寸优化。依据优化后的电机吊座结构再次建立该型地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型，分别对比优化前后电机吊座结构的静强度、疲劳寿命、动应力响应等性能指标，进而校核优化后结构的合理性。最终形成了一种兼顾结构材料力学性能以及外部动载荷对结构疲劳寿命影响的结构优化方法。
　　本文采用CAE仿真方法，系统地对构架开展了动力学分析、结构疲劳分析、结构寿命预测以及结构优化等研究。利用这种方法可以在构架结构前期开发阶段了解结构振动特性、得知结构疲劳破坏机理、预测结构疲劳寿命，避免了构架在使用过程中疲劳破坏现象的发生，从而有助于提高车辆的运行安全性。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 转向架构架有限元建模及模态分析

2.1 有限元基本理论

2.2 转向架构架有限元建模方法

2.3 构架模态分析

2.4 本章小结

第三章 地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型的建立与仿真

3.1 车辆刚柔耦合多体动力学建模理论

3.2 柔性构架的建模

3.3 地铁车辆多体动力学建模方法

3.4 地铁车辆刚柔耦合多体动力学仿真

3.5 本章小结

第四章 基于刚柔耦合模型的转向架构架疲劳分析及寿命预测

4.1 结构动应力计算方法

4.2 转向架构架结构疲劳分析

4.3 结构疲劳寿命预测理论

4.4 基于准静态应力叠加法的电机吊座结构疲劳寿命预测

4.5 本章小结

第五章 基于疲劳寿命约束的转向架构架结构优化方法

5.1 基于疲劳寿命约束的构架电机吊座结构优化

5.2电机吊座结构优化结果校核

5.3 优化前后电机吊座结构各项性能对比分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢