门架式转向架关键件强度分析及结构优化研究

摘要

ULF是一种100%超级低地板轻轨车，因其低地板特性、良好的曲线通过性和灵活的编组特性受到越来越多的关注，而其采用的门架式转向架是实现这些特性的关键。 本文对门架式转向架进行详细的结构分析，重点分析构架、外车轮壳、内车轮壳等重要承载部件，依据EN13749强度标准对重要承载件进行载荷计算，结合有限元方法进行静强度评估，并据此判断结构的合理性。利用现代结构优化理论对构架和外车轮壳进行优化设计，结合实际制造和加工工艺，依据概念云图对结构进行二次优化，并对优化后的模型进行静强度、疲劳强度和动刚度校核，进而对优化后的结构性能进行综合评估。 本文的研究重点和结论如下： 1、本文根据ULF列车门架式转向架的结构特点，参考EN13749强度标准，同时考虑车体侧滚和浮沉运动对转向架受载的影响，对转向架关键承载件进行静强度评估。计算结果表明外车轮壳和内车轮壳的静强度满足要求，且外车轮壳的强度余量大，而构架的最大等效应力值超出材料的许用应力，不能满足强度要求。从应力分布及应力水平角度考虑，构架和外车轮壳具有结构优化的余地。 2、对于构架的静强度应力值较高的主要承载梁，采用材料力学方法对梁截面进行调整，以降低梁的弯曲应力水平，然后利用尺寸优化的方法对构架整体进行轻量化处理。对于外车轮壳采用拓扑优化的方法对起连接作用的车轮外箱壳进行材料的重新分布，综合考虑强度和刚度两个层面，分别建立以材料许用应力值为约束条件和以变形能最小为目标函数的多约束拓扑优化模型，综合两种优化结果和制造工艺确定最终优化模型。 3、对优化后的构架和外车轮壳进行静强度校核和疲劳强度计算，分析结果表明，优化后结构的应力分布得到改善，应力水平均满足强度要求。构架质量降低45.8%，外车轮壳质量降低6.4%，提升了转向架整体的轻量化水平。约束模态分析结果表明，结构优化后结构刚度有所降低，但基频值满足要求，各部分动刚度分配合理，优化结构的整体动刚度满足应用要求。

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