高速动车组转向架构架强度设计与试验验证Word下载.docx

高速动车组转向架构架强度设计与试验验证Word下载.docx

《高速动车组转向架构架强度设计与试验验证Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速动车组转向架构架强度设计与试验验证Word下载.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

在分析结果的基础上，总结出合理保守且代价较小的静载试验方案。

本文还就动态加载的试验载荷谱开展研究。

在损伤等同原则下，将经试验数据修正的短程仿真数据拓展生成与设计寿命目标一致的台架试验谱。

由于车辆动力学性能随服役时间增长呈现下降的趋势，本文提出了利用特征指标和性能劣化函数计算全寿命周期内等效服役特征的方法。

本文还采用刚．柔耦合动力学模型构建了虚拟试验加载系统以验证各影响因素对加载效果的影响。

关键词：

高速动车组；

转向架构架；

强度设计；

试验验证

第１Ｉ页西南交通大学博士研究生学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｓｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｇｒａｄｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅ

ａｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｂｏｇｉｅｆｒａｍｅｓ．Ｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ

ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃｅｓｓｅｎｔｉａｌｉｓｓｕｅｓｏｆｏｎｍｕｌｔｉ—ｕｎｉｔｓ（ＥＭＵ）ｔｒａｉｎｓ．Ｂａｓｅｄ

ａｔｈｅｗｅｌｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆａｔｉｇｕｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｃｏｍｐｌｅｔｅｆｒａｍｅｏｆｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ

ｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｄａｔａｂａｓｅｏｆｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓ，ｌｏａｄｓ

ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｈａｔｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｌｉｎｅ

Ｐａｒｔｉａｌｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓａｎｄｅｎｈａｎｃｅｄｔｅｓｔｂｅｈｃｈｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ．ｄａｔａｂａｓｅｏｆｗｅｌｄｉｎｇｊｏｉｎｔｓｗｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎｓｌｙｓｉｓｏｆｍａｉｎｗｅｌｄｉｎｇｄｅｓｉｇｎｃｏｄｅｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＦＥＭ

ｓｔｒｅｓｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｂｅｎｃｈｆｏｒｆｌａｍｅｄｅｓｉｇｎ．ｔｅｓｔｓ，ｎｏｒｍｉｎａｌ

ＮｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｓｓｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｆｅａｓｉｂｌｅｅｘｔｒａｄｅｎｓｅｆｉｎｉｔｅＦＥＭｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ、析ｔｈ

ｅｒｒｏｒｓｅｌｅｍｅｎｔｓｇｒｉｄｓｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｓｉｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｒｅｌａｔｉｖｅ

ｃｒｉｔｉｃａｌａｒｅａｓ．ｃｏｕｌｄｂｅｌｉｍｉｔｅｄｂｅｌｏｗ１０％ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ

Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，

ｏｎｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｂａｓｅｄ

ｄｙｎａｍｉｃｓｔｈｅｏｒｙｔｈｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｗｉｔｈｏｂｊｅｃｔｏｒｉｅｎｔｅｄＣ＋＋ｌａｎｇｕａｇｅ．Ｔｈｅｂｏｇｉｅｆｒａｍｅａｎｄｃａｒｂｏｄｙｃａｎｂｅｍａｄｅｆｌｅｘｉｂｌｅ、丽ｔｈｓｍａｌｌｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｓｓｕｍｐｔｉｏｎ．ＯｐｅｎｓｏｕｒｃｅｒｏｕｔｉｎｅＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｒａｐｈｗａｓｕｓｅｄｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔ３Ｄｇｒａｐｈｉｃｉｎｔｅｒｆａｃｅａｓｔｈｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇ

ｗｏｒｋｆｌｏｗＷａｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙｔｈｅＭＦＣｓｉｎｇｌｅｄｏｃｕｍｅｎｔｖｉｅｗａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｔｈａｔ

ｖｅｈｉｃｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｓｓｅｍｂｌｅ

Ｃｏｍｐａｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｅｓｅｎｇｉｎｅ．Ｔｈｅｃａｌｌｍａｎａｇｅａｎｄｓｏｌｖｅｓｙｓｔｅｍｅｑｕａｔｉｏｎｓ。

ｐｉｐｅ・－ｔｙｐｅｂｏｉｇｅｂｅｔｗｅｅｎｂｏｘ・－ｔｙｐｅａｎｄｆｒａｍｅｓｂｙｒｉｇｉｄｆｌｅｘｉｂｌｅｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｔａｋｅｎ．Ｖｅｒｔｉｃａｌｂｅｎｄｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｔｏｒｓｉｏｎｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｒｅｃｌｏｓｅｌｙｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅａｎｄａｍｐｌｉｔｕｅｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｔｒｅｓｓｅｓ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅＦＥＭｈａｒｍｏｎｉｃａｎａｌｙｓｅｓ

ｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｄａｍａｇｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｔｏｒｔｉｏｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓ

ｉｄｅｎｔｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔａｒｇｅｔｓ．ｆｒａｍｅ，ｔｈｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｈａｖｅｔｈｅ

Ｔｈｅ

ｔｅｓｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｂｏｕｔｏｎａｐｉｐｅ—ｔｙｐｅｍｏｔｏｒｂｏｇｉｅｆｌａｍｅｕｎｄｅｒｆｏｕｒｐｒｏｇｒａｍｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ．Ｂａｓｅｄｔｈｅａｎａｌｙｓｅｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｐｒｏｇｒａｍｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｓｔｓａｎｄｓａｆｅｔｙｍａｒｇｉｎｒｅｓｐｅｃｔｅｄ．

ｔｅｓｔｓＤｙｎａｍｉｃｔｅｓｔｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ．Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｓｈｏｒｔｔｅｒｍ

ｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄａｔａｔｈａｔｃｏｒｒｅｃｔｅｄｂｙｔｅｓｔｓｄａｔａａｎｄｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅｄｂｙｕｓａｇｅｆａｃｔｏｒｂａｓｅｄｄａｍａｇｅ

ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｓｅｒｖｅｃｈａｒｅｃａｔｅｒｉｃｉｎｄｅｘａｎｄｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｆｏｒ

西南交通大学博士研究生学位论文第１Ｉｌ页

ｆａｃｔｓｔｈａｔｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｕｒｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｙｃｌｅｓ．Ｖｉｒｔｕａｌｔｅｓｔｂｅｎｃｈｍｏｄｅｌｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｓｉｇｎｆａｃｔｏｒｓｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｔｅｓｔｂｅｎｃｈｔｈａｔ

ｃｈａｎｎｅｌｓｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｃａｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅａｎｄｌｏａｄｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ；

ｂｏｇｉｅｆｌａｍｅ；

ｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎ；

ｔｅｓｔｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ

西南交通大学曲南父逋大罕

学位论文使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

１．保密口，在——年后解密后适用本授权书。

２．不保密囹，适用本授权书。

（请在方框内打“√’’）

学位论文作者签名：

三乏斌指导教师签名：

彳Ｐ辛文

日期鲫ｌｏ年中月２ｆ日日期：

２ｂＩ佴ｑ－月２ｊ日

西南交通大学曲南父逋大字

学位论文创新性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。

本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。

本学位论文的主要创新点如下：

（１）为更好获得构架动态服役的载荷条件，本论文提出基于构架柔性模型的多柔体系统动力学仿真，以获取更拟实的构架动态服役载荷及动应力的仿真结果，来进行疲劳损伤研究的强度设计方法，为实现这一方法，论文开发了多柔体系统动力学仿真程序。

体现在第三章３．１节、３．２节

（２）论文首次将应变能评价方法和构架谐响应计算结果应用于构架强度评定中，结合名义应力法的疲劳损伤评定，对高速动车组的不同构架形式进行了深入比对，提出适用高速动车组结构形式的建议。

体现在第四章。

三双

同期：

２０ｌＯ年孕月纠日

叠直銮鎏盔兰兰圭至耋耋耋薹鲨吝

第１章绪论

１．１选题背景兰：

墨

随着国家中长期铁路网规划的推进实施，国内多个城市之间开行了２００ｋｍ／ｈ以上速度等级的动车组，京津、武广高速客运专线已投入使用，更高速度等级动车组的研制试验工作陆续开展，国内主要制造商的研发能力已由引进消化吸收提升到到自主创新的高度１１－２ｌ。

随着车辆运行速度等级的提高，构架的服役里程大幅提高，车辆高速运行引起的复杂高频振动也恶化了构架的受力状态，设计载荷条件变得难以确定。

疲劳强度是构架设计的核心指标，因服役条件不明确而导致的设计不当引起的构架疲劳开裂的事倒屡见不鲜，严重影响了行车安全且造成了极高维护捡修费用１３１，如图１－１中的构架关键部位的疲劳裂纹。

以ＲＡＭＳ（可靠性，可用性，维修性和安全性）评价为核心的高速动车组全寿命周期管理体秉逐渐纳入到车辆研发、运用过程中，低速运营条件下的构架设计规范己不能满足高速动车组系统质量管理的要求。

霪＿愿蕊

（ａ：

齿轮箱吊杆座根部开裂）（ｂ：

横向止挡安装庄根都开裂）

图Ｉ－１构架关键位置疲劳开裂

以汽车为代表的现代车辆结构强度设计及试验验证流程如图１．２所示嗍。

第一阶段，根据技术要求和接口需求，概念设计阶段确定结构型式与几何尺寸实现；

根据许用应力的限定，有限元静强度分析与结构拓扑优化确定原始设计方案；

第二阶段，由动力学仿真结果计算结构的动应力响应及疲劳损伤量，得出理论寿命及安全裕量；

第三阶段，根据上两个阶段的初步设计方案进行物理样机试制，由线路实测载荷谱确定台架试验加载谱，最后由台架试验以确定结构的可靠度指标。

第一、二阶段称为虚拟耐久性试验，第三阶段称为物理耐久性试验。

虚拟耐久性试验是强度设计的主要工具，用以减少设计迭代、缩短设计周期；

物理耐久性试验是结构定型的核心验证工具，是质量保证最核心的环节。

第２页西南交通大学博士研究生学位论文

图１－２构架设计方法

国内主要动车组制造企业在构架设计第一阶段采用了上述虚拟耐久性验证方法，通过有限元静强度计算进行构架结构设计优化；

第二阶段由于车辆运行工况复杂，通过仿真获取的构架服役载荷时间历程的代表性与包络性难以明确，其计算寿命指标可信度较差【５．８】。

另外，基于此仿真数据编制的动载验证试验不能揭示构架在真实服役条件下的可靠度指标。

第三阶段采用各类构架试验标准定义的静载、动载验证程序，由于这些标准滞后于高速动车组的设计需要，构架的物理台架试验与车辆实际运用条件关联性不大。

对于高速动车组构架，产品设计阶段面临如下挑战：

（１）构架强度设计标准依据速度等级较低的运行条件制定，载荷计算方法等关键评价步骤并未考虑车辆高速运行带来的构架承载变化。

转向架结构型式及悬挂、驱动装置的不断创新使得构架承载形式具有多样性，现行规范的评价考核体系无法统一。

（２）焊接构架制造阶段中新型焊接技术及后处理工艺广泛应用，如焊接自动化、ＴＩＧ打底、ＴＩＧ重熔、焊缝高频振动冲击及焊缝喷丸打磨等。

传统疲劳强度设计规范的材料及接头性能数据己不能满足现行工艺设计的要求。

（３）传统构架设计规范的疲劳试验，无法与高速动车组实际的服役条件相关联，其验证结果不足以明确构架线路运行的可靠度水平。

为解决这些挑战，构架强度设计应在动车组服役特征深入掌握的基础上，构建适用于国内制造企业焊接工艺、材料性能的接头疲劳数据库，选用成熟且合理保守的虚拟耐久性设计方法，针对具体运用环境进行强化试验证。

西南交通大学博士研究生学位论文第３页

１．２研究现状

１．２．１焊接结构疲劳强度

疲劳是指金属材料或结构在循环载荷作用下发生不可逆的性能变化（特指开裂），疲劳损伤的形成发展大致分为以下几个阶段…１】：

（１）显微结构发生变化，损伤成核发展为微裂纹。

根据单晶材料的大量研究，在循环应变的最初几个循环，微观组织就己观察到主滑移面上的累积位错。

由于正向加载的位错积聚产生的应变硬化使反向加载的滑移不可逆，一个应变循环即产生了微观侵痕。

（２）微裂纹长大合并，形成主导裂纹。

当微裂纹长度与晶格尺寸相当时，由于微观材料性能各向异性，微裂纹存在不均匀的应力场并在裂纹尖端应力集中，更多的滑移带被激活。

各微裂纹扩展方向偏折合并形成稳态扩展的主裂纹。

（３）主导裂纹历经稳态、非稳态扩展，结构最终失稳失去承载能力。

材料、载荷、结构和环境因素在很大的范围内影响微观缺陷的成核条件和主导裂纹的扩展速率，总寿命法和损伤容限方法是两类主要的疲劳强度设计方法。

两种方法对应的疲劳寿命定义为出现主裂纹的载荷循环数和裂纹由亚临界尺寸扩展到临界尺寸的载荷循环数，对应结果的差异是由于对裂纹萌生阶段和扩展阶段的取不同的权重造成的【１０】。

焊接结构广泛应用于能源、车辆、土木、航海等工程结构。

这些结构在运营中承受不同形式的动态载荷，焊接接头容易在低应力区发生疲劳断裂，导致整个结构失效。

评定焊接结构疲劳可靠性、预测焊接结构服役寿命、优化焊接接头设计降低疲劳断裂危害等就成为研究焊接结构的重要课题【１２。

２１１。

国内动车组转向架构架由合金板材与各类铸钢座拼焊而成，本文即针对焊接构架开展研究工作。

焊接构架疲劳强度问题的复杂性主要由以下几点带来的：

（１）热影响区（ＨＡＺ）金相学变化及焊材的融合、凝固过程使焊接接头部位的材料具有多相性、力学性能不均匀性。

（２）焊接工艺的复杂性，焊缝不同程度的存在夹杂、气孔、咬边、未焊透、小裂纹等焊接缺陷。

（３）焊缝几何形状不统一，焊趾部位存在强烈的应力集中。

（４）热影响区存在较大的残余应力，应力数值及分布难以掌握。

近几十年来，世界各国学者对焊接结构强度及疲劳特定进行了大量的研究。

从接头疲劳试验、疲劳理论、数值模拟等方面，总结了大量的焊接接头的疲劳特性数据，发展了名义应力法、结构应力法、缺口应力法和基于断裂力学评定方法等各种安全评定和服役寿命估算方法。

各国和一些专业协会也以规范、建议等形式将上述焊接接头疲劳数据和评定方法运用到指导焊接结构设计、评定、检修等实践中去【２２。

２１。

应力设计评价方法

第４页西南交通大学博士研究生学位论文

在工程应用中占据主流，动车组构架强度设计主要引用规范如表１．１所示：

表１。

ｌ常用焊接构架评价规范

颁布组织

欧洲标准化委员

会（ＣＥＮ）

美国焊接协会

（ＡＷＳ）规范名称Ｅｕｒｏｃｏｄｅ３Ｐａｒｔ１．１Ｇｅｎｅｒａｌ评定方法名义应力、结构应力条件疲劳极限ＲｕｌｅｓＳｔｒｅｓｓ－Ｎ曲线，寿命计算Ｄ１—１ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＷｅｌｄｉｎｇ名义应力、结构应力条件疲劳极限

名义应力、结构应力

缺口应力、Ｄｏｎｇ模型Ｃｏｄｅ．Ｓｔｅｅｌ．１９ｔＩＩ．ｅｄｉｔｉｏｎＩＩＷ－１３０３—９５ＦａｔｉｇｕｅＤｅｓｉｇｎｓｏｆＪｏｉｎｔｓａｎｄ国际焊接学会

ＩＩＷＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ

ｅｘ．ｄｏｅＸＩＩＩ．１５３９．９６

ｅｘ．ｄｏｅＸＶ－８４５．９６条件疲劳极限Ｓｔｒｅｓｓ－Ｎ曲线，寿命计算

条件疲劳极限

Ｓｔｒｅｓｓ．Ｎ曲线，寿命计算Ｂ１２．１冲６０欧洲铁路研究学Ｔｅｓｔｓｔｏ会（ＥＩ涮）ＤｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈｅＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＲａｉｌｗａｙＶｅｈｉｃｌｅｓ

从１８２９年Ａｌｂｅｒｔ对矿山升降机链条反复加载以验证其可靠性，到１８５２年Ｗｏｈｌｅｒ利用设计的旋转弯曲疲劳试验机研究车轴疲劳破坏并提出疲劳极限的概念，到１９１０年Ｂａｓｑｕｉｎ、Ｓｍｉｔｈ及Ｈａｉｇｈ提出的Ｓ．Ｎ曲线，到１９４５年Ｍｉｎｅｒ提出的累积损伤模型，再到１９５４年Ｃｏｆｆｉｎ和Ｍａｎｓｏｎ提出的应变幅与疲劳寿命的经验关系式，金属疲劳研究始终是一门以试验为主要研究手段、唯象法描述观察规律的学科。

疲劳设计方法应用到产品设计阶段，目的是尽量在早期发现薄弱环节以优化结构设计，试验验证是结构定型的最终验收条件。

１．２．２服役载荷仿真

结构的服役载荷信息是进行疲劳强度设计及试验验证的基础输入数据。

彗星号喷气式客机作为典型案例启示人们，设计阶段对载荷的估计不足及试验验证阶段欠缺动载验证将带来灾难性后果。

保守全面的掌握结构全寿命服役周期内的载荷条件并统计处理生成试验加载谱是试验验证的前提条件。

高速动车组运行过程中，构架承受复杂的动态载荷，试验和仿真是获取载荷谱的两种主要手段。

两种方法各有利弊，需相互对比修正以保证结果的合理性及保守性。

构架承受的载荷分为主体载荷（构架支撑约束、二系簧作用力、横向止挡作用力与抗侧滚装置作用力等）和接口载荷（安装的各类减振器作用力、制动机、驱动系作用力等）。

线路

西南交通大学博士研究生学位论文第５页

试验方法可以通过布置加速度传感器测量车体、各安装部件的加速度时间历程，获取构架承受的相应振动惯性载荷。

由于接口尺寸的限制，很难通过力传感器测试各减振器作用力、驱动系扭矩及制动力等载荷。

仿真方法通过数值计算获取车辆系统时域或频域的动力学响应，主要方法有有限元方法（显式或隐式动力学分析）和多体动力学方法。

除碰撞等极端工况外，鉴于车辆系统规模庞大，一般采用多体动力学方法进行数值仿真。

构架的作用力可通过力单元（弹簧阻尼、Ｂｕｓｈｉｎｇ、作动器等）及约束单元反力（转动铰、球铰等）获得。

由于车辆系统存在众多的非线性环节，如非线性悬挂特性、非线性轮轨接触关系等，仿真结果相对真实情况只能提供有限程度的逼近。

多体动力学建模

多体动力学是计算力学的一个分支，其理论体系己渐趋完备‘３３枷】。

按系统拓扑结构，车辆由惯性单元（刚体或柔性体）、力单元与运动学约束单元组成。

系统自由度描述按参考坐标系的区别分为绝对坐标系描述和相对坐标系描述。

相对坐标系适合描述链式拓扑结构系统，以相对坐标描述部件之间的相对运动，可获得系统最小常微分方程组。

绝对坐标系描述在全局坐标系（空间位置固定）下描述各部件的位置、方位矢量，部件之间的运动约束关系以非线性代数方程的形式表示。

对于完整约束，可由约束雅可比方程组确定系统的独立自由度，获得系统最小常微分方程。

对完整或非完整约束，由虚功原理得出增广格式的动力学方程，与约束方程组成系统微分代数方程组（ＤＡＥｓ）。

动力学系统方程求解

动力学系统仿真分析类型主要有静态分析（确定车辆初始状态，非线性方程组）和非线性时域动态分析（常微分方程组或微分代数方程组），常用的多体动力学数值求解方法如表１．２所示【４１舶】：

表ｌ一２系统方程求解方法

类型

非线性代数方程组

ＡＥｓ算法备注或采用牛顿下山法等迭Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ代方法保证稳定性及收

敛性

Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ单步法，显式或隐式

常微分方程组

ＯＤＥｓ显示Ａｄａｍｓ．Ｂａｓｈｆｏｒｔｈ隐式Ａｄａｍｓ．Ｍｏｕｌｔｏｎ

ＢＤＦ线性多步法，改造为预估．修正方法

微分代数方程组ＳＤＩＲＫＳｉｎｇｌｙｄｉａｇｏｎａｌｉｍｐｌｉｃｉｔ

第６页西南交通大学博士研究生学位论文

ＤＡＥｓｌＩＨＨＴＩＮｅｗｍａｒｋ族的变种Ｉ

●Ｉ——————————————Ｉ—————Ｉ——

非线性轮轨接触关系

非线性轮轨接触关系是轨道车辆的独有特征，包含轮轨接触几何和轮轨非线性接触力两方面的内容。

轮轨接触几何计算确定轮轨接触点的空间位置，主要有迹线法和接触几何代数方程组等方法。

Ｈｅｒｔｚ理论用于确定接触斑形状大小，切向蠕滑力可由Ｋａｌｋｅｒ线性理论、沈氏理论、Ｐｏｌａｃｈ理论等计算【４７觇】。

１．２．３试验验证方法

转向架构架的试验验证基本上分为实验室验证和线路验证。

线路试验验证一般为综合性试验，考察车辆总体设计目标（动力学、强度等），一般是通过应变片测量获取构架关键位置的动态应变历程，通过条件疲劳极限的包络评定或寿命估算评价构架的安全性。

实验室验证分为静态加载试验和动态加载试验。

静态加载试验包含屈服强度及疲劳强度试验两类；

动态加载试验用于评价构架耐久性及制造工艺，试验载荷谱一般由各个规范定义。

由试验采集的载荷信息，一般都是根据时域计数方法进行拓展获得。

这对实测工况提出了较高的要求，一方面需要进行大规模的试验工况规划，另一方面需要对采集的数据进行滤波、剪裁和计数等操作获得实验室加载的液压作动器驱动信号。

对于多轴非比例载荷，以德国主要汽车厂商组成的疲劳联盟发展了一种载荷映射的方法以考虑不同载荷通道的耦合效应【５３】。

１．３本文的主要工作

本文针对高速动车组转向架构架研发阶段所必须考虑的强度问题，提出了以试验验证为中心的构架设计方法。

主要工作如下：

（１）设计阶段，有限元分析是主要的验证方法，总结出适合于工程应用的建模方案并建立相应的主要焊接接头性能数据库。

（２）构架结构形式具有多样性，通过柔性多体动力学及结构动力学计算，总结构架基本设计指标及一般性原则。

（３）动态加载试验是验证的核心环节，由于国际标准相对于车辆研发的滞后性，发展以仿真为主要手段，线路测试为修正的时域载荷谱获取方法。

依据车辆的服役特殊性，提出以劣化函数唯象描述车辆性能的变化导致的构架服役状态的变化。

由于商用软件的局限性，采用面向对象技术发展车辆动力学仿真软件，应考虑由于轮轨磨耗、悬挂参数改变等因素对车辆状态的影响。

（４）针对构架静态加载试验验证程序的多样性，根据主要制造商及研究机构的方案，总结出保守且代价合理的静态加载试验验证程序。

西南交通大学博士研究生学位论文第７页

（５）为蔺化构架受力计算，方便与实测数据的比对分析，提出以车体横向、垂向加速度为构架受力的服役载荷指标参数。

提出长程（１０ｎｇｔｅｒｍ）等效指标的计算方法，并根据损伤拓展法则进行累计超越频次拓展和或雨流计数拓展生成试验用谱。

（６）针对构架安装部件三轴随机振动惯性载荷，在德国疲劳联盟提出的载荷方向映射方法的基础上，提出时域内采样统计的方法以考虑各轴载荷的耦合效应，将不同比例的映射载荷进行拓展获取构架安装接口试验验证程序的试