基于SolidWorks机车车辆车轴参数化设计及轮对疲劳寿命预测

摘要

“十二五”规划对高速铁路继续发展的战略支持，作为高速列车关键承载部件的车轴与车轮，其轮轴设计关系着铁路运输安全。机车车辆车轴研发设计是一个“设计-评价-再设计”的反复循环、不断优化的过程。在传统的人工设计条件下，工作量大、周期长。在市场经济条件下，产品更新换代的速度越来越快，缩短产品的开发周期、提高质量、降低成本，已是铁道车辆企业增强市场竞争力和促进自身发展的重要条件之一。因此，实现某种程度上的设计自动化、缩短设计周期、提高质量、降低成本就成为机车车辆车轴设计发展的迫切要求。本文通过对车辆车轴零件特征建模，研究特征参数化设计生成零件图，完成强度分析，应用OpenGL技术引入车轴应力场的后处理阶段，实现数据可视化，即用图形图像来表征数据，将隐藏在大量数据中的信息以相对直观，易于理解的图像方式表达出来，使研究人员能够直观、迅速地观察到计算模拟的结果，适应现代技术发展及产品快速更新的要求。
　　基于SolidWorks平台，用Visual C++6.0语言进行二次开发，即进行特征参数化绘图编程及用户界面设计，用参数驱动法实现车轴零件参数化特征设计。另外，轴的参数化设计包括两个方面的内容，其一为车轴强度的计算，其二为车轴尺寸参数确定。车轴强度参数化设计计算目的是确定其结构几何参数的极限尺寸，在充分考虑轴的工艺性、经济性和安全可靠性的基础上，保证车轴结构参数大于其最小极限尺寸。本文在分析比较各种CAD系统二次开发接口的基础上，结合车轴结构特点，以追求高效率，高速度为目标，应用Visual C++6.0语言开发基于参数化的车轴插件，结果表明，本系统大大减少机车车辆车轴的设计周期，提高了产品设计的效率，具有一定的学术价值和工程实际意义。
　　随着轨道车辆运行速度和载重的提高，采用结构轻量化设计技术的机车车辆轮对的动态服役环境将越来越复杂，时有疲劳裂纹或失效现象发生，对轮对疲劳强度和寿命进行全面的理论与试验研究十分必要，由于耐久性实验成本昂贵，周期长。因此，本文主要在多体动力学仿真、车轮有限元分析和轮对随机载荷疲劳研究基础上，考虑轮对的弹性变形和结构振动效应，引入柔性体概念进行柔性轮对分析。通过有限元方法对车轮进行静强度和疲劳强度校核，应用SIMPACK软件，根据CRH3高速动车组实际参数建立柔性轮对的刚-柔耦合多体动力学仿真模型，采用nCode软件结合动力学仿真得到的轮轨接触横向和垂向载荷时间历程、材料S-N曲线，利用准静态方法对轮对进行疲劳寿命预测。基于虚拟样机技术的承载结构疲劳寿命预测方法，在轮对结构设计阶段可以预测疲劳薄弱部位，为轮对结构的优化设计提供理论依据。