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D_(32)平车刚柔系统动态响应及凹底架疲劳强度研究

谢云叶  
【摘要】: 随着国家经济的高速发展以及对铁路运输的要求,以凹底平车为代表的长大货物车的载重越来越大、运行速度和应用频率也越来越高,在国民经济中有着十分重要的地位和作用。由于长大货物车载重吨位大、结构尺寸大、心盘距长,再加上提速、轻型化的趋势和要求,在运行过程中,刚柔耦合现象会显现出来,对车辆系统的动态响应产生显著的影响,并可能出现剧烈振动而侵犯限界以及应力增大而造成疲劳破坏现象,从而使得结构的弹性振动和疲劳强度问题变得十分突出。本文将有限元分析方法与刚柔耦合多体系统动力学理论相结合,利用相应的软件ANSYS和SIMPACK对320t凹底平车系统的动态响应和凹底架的疲劳强度进行研究分析,为该种车辆的设计和改进提供指导依据。 本文主要进行了以下几个方面的研究工作: 1.分析了车辆多刚体系统的运动方程,通过引入力元、基于凯恩方程建立了系统的动力学方程;通过合理处理车辆刚柔耦合系统中的弹性体,基于达朗伯原理和约旦原理,利用瑞利-里兹法表示弹性体的变形,建立了多体系统中弹性体的运动学以及动力学方程,为研究整个刚柔耦合系统在激励作用下的动态响应、分析其动力学特征奠定了理论基础。另外,分析了多体系统程序中的弹性体标准输入数据及其计算,实现了有限元程序与多体系统程序间的数据传递。 2.分析了轮轨接触几何关系、轮轨准弹性接触模型、轮轨蠕滑力的计算,利用分段线性化方法对车辆系统中存在的各种非线性因素进行准确模拟;分析了轨道随机激扰的描述方式,推导了轨道不平顺功率谱表达式;同时,基于傅立叶逆变换对轨道谱进行了数值模拟,得到了时域模拟样本,使其适合在车辆多体系统建模和动态仿真中使用。 3.推导了凹底架弹性体的动力学方程,通过引入超单元,建立了凹底架在模态坐标上的动力学方程,并变换到物理坐标上;基于多自由度系统模态分析理论,求解凹底架的模态振型及其参数。根据凹底架的结构特点、位置以及连接状态,研究建立了凹底架有限元分析模型,详尽地计算了其固有动态特征。采用子结构法缩减处理凹底架有限元模型,建立了具有动态特征的弹性体模型,使描述凹底架的自由度总数减少,适宜在车辆系统振动响应分析中使用。另外,研究分析了凹底架模态阶数的选取对车辆系统动态响应的影响。 4.利用经有限元法处理的弹性凹底架,建立了320t凹底平车多体系统动力学模型(包含多刚体系统动力学模型和刚柔耦合系统动力学模型),并分别进行仿真计算,获得了车辆系统的动态响应,与试验值做了全面比较,表明刚柔耦合系统模型仿真结果比多刚体系统模型更接近试验值,这反映研究建立的刚柔耦合系统动力学模型是合理的。同时还研究分析了仿真计算中采样频率对车辆系统动态响应的影响。 5.基于320t凹底平车刚柔耦合系统动力学模型,深入研究了运行速度和轴箱悬挂参数对车辆系统动态响应、特别是凹底架弹性振动的影响规律,为选择悬挂参数、确定运行速度、评价动态限界以及改进设计提供依据。 6.基于320t凹底平车刚柔耦合系统动力学模型的动态响应分析结果,将作用在凹底架上的动载荷—时间历程转换并引入到ANSYS中,分析得到凹底架应力—时间历程和应力谱,建立了凹底架的疲劳寿命预测模型,利用疲劳累积损伤理论对凹底架的疲劳寿命做了预测分析,揭示了运行速度、轴箱悬挂刚度和阻尼对凹底架疲劳寿命的影响规律。


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