車輪參數(shù)化形狀優(yōu)化與疲勞強(qiáng)度研究.pdf

1、隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，輪軌系統(tǒng)激擾頻率顯著增加，輕量化輪對服役環(huán)境急劇惡化，其結(jié)構(gòu)疲勞可靠性問題變得越來越突出，采用將柔性多體動力學(xué)分析、有限元分析和疲勞壽命分析等有機(jī)結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下車輪的隨機(jī)疲勞壽命預(yù)測。通過動力學(xué)仿真給出隨機(jī)疲勞預(yù)測所需隨機(jī)載荷譜。而結(jié)構(gòu)在載荷的作用下，或者加速、減速運(yùn)動時(shí)都會產(chǎn)生一定的彈性變形，這些變形影響了結(jié)構(gòu)的運(yùn)動和受力特征。因此，在考慮輪對及制動盤柔性的基礎(chǔ)上給出隨機(jī)載荷譜。同時(shí)分析

2、輪對柔性對輪軌接觸力的影響。
　　 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)革新和創(chuàng)新設(shè)計(jì)發(fā)展的重要方向之一，對于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和材料消耗，提高產(chǎn)品性能和壽命，縮短設(shè)計(jì)周期都具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。對車輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足條件的輕量化車輪，從而改善車輛動力學(xué)性能、提高旅客乘坐舒適性、降低鐵路維修成本、減小列車運(yùn)行阻力、降低承載結(jié)構(gòu)的工作載荷和振動沖擊能量。
　　 基于ANSYS軟件的APDL語言建立

3、了動車組CRCCW400拖車轉(zhuǎn)向架車輪的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，以UIC510-5和EN13979-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞強(qiáng)度分析載荷和載荷工況為約束條件、車輪質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，對車輪結(jié)構(gòu)幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了車輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化歸一分析。為對車輪進(jìn)行其它方面的參數(shù)化優(yōu)化(輪軌滾動噪聲、車輪結(jié)構(gòu)剛度控制及車輪結(jié)構(gòu)形式選擇等)提供了理論基礎(chǔ)。
　　 優(yōu)化后車輪的輻板厚度減薄，車輪質(zhì)量減少22.89kg，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足UIC510-

4、5和EN13979-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。與原始車輪相比，優(yōu)化車輪徑向應(yīng)力最大和最小值的絕對值增大，軸向應(yīng)力無明顯變化，其中最大和最小徑向應(yīng)力在曲線通過工況絕對值增加值最大，分別為41.1MPa和69.0MPa。優(yōu)化車輪輻板區(qū)域的應(yīng)力均有所增加，提高了輻板區(qū)域金屬材料的利用率，充分發(fā)揮車輪制造材料的機(jī)械性能，有利于減小車輪的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。
　　 與原始輪對相比，優(yōu)化后得到的輪對與輻板相關(guān)的固有頻率明顯降低，一階反對稱彎曲模態(tài)、二階對稱彎曲模

5、態(tài)、一階對稱傘形模態(tài)和一階反對稱傘形模態(tài)固有頻率分別降低30.6Hz、45.7Hz、64.8Hz和87.2Hz。
　　 利用ANSYS有限元軟件和SIMPACK動力學(xué)軟件建立了帶制動盤的柔性輪對結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，對動車組拖車進(jìn)行整車動力學(xué)分析，獲得車輪隨機(jī)載荷下疲勞壽命分析的載荷譜，用FE-Safe軟件對車輪的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。在本文的研究對象中，以德國低干擾軌道譜為輪軌輸入的條件下，輪對柔性對輪軌接觸垂向力和橫向力影響不大。車輪