1、 1 中文 3100 字 基于确保疲劳强度和减轻重量的转向架构架设计 B.H.ParkandK.Y.Lee 机械工程学院，延世大学，首尔，韩国 . 这份手稿是于 2005 年 4 月 8 日收到后接受修改 ,出版于 2005 年 11 月 25 日。 DOI: 10.1243/09544097F01405 摘要 ： 在一个转向架的 设计 发展 过程中， 转向架构架疲劳强度的影响是一个重要的设计准则。此外 ,为了节约能源和材料 需要减轻重量 。在这项研究中 ， 用有限元方法 在各种加载条件下对转向架构架进行疲劳分析 是 根据 UIC 的标准 形成的 ，这种方法 试图 通过人工神经网络和遗传算法来
2、 减小转向架构架的重量。 关键词 ： 转向架、强度、疲劳强度分析、神经网络、优化 。 1 简介 ： 转向架是 列车上 一个非常重要的构件 ， 它 承 载 着 铁道车辆在运动中的 各种力 。铁道车辆的运动受 到 轨道的 几何形状 、轮轨相互作用、悬挂装置 和 零部件的惯性力 的 影响 。同时 ，一台高速运行列车的 转向架结构的重量 应该尽 可能 轻 。因此 ， 转向架的 强度 应该在国际标准如 UIC1和 JIS 2的基础上 仔细地进行计算分析 ，以 获得一个合理的设计方案。在过去的设计过程 里，诸如一些 试验 ， 现场 测试，并对 原型改进 得到 一个合理的设计 等步骤需要许 多时间和 很 高
3、 的 成本。 然而， 在计算机辅助工程 (CAE)产品设计 中，应用有限元分析 方法 (FE)可以 减少所需的 成本和时间。 利用 有限元分析 方法 研究转向架构架 曾有 几次 先例 3,4。 此外 ， 转向架 占 车辆总重量 的一大部分 。 目前设计者在 节省能源和材料 的 驱动 下对车辆 的结构进行轻量化设计 。在 CAE 产品设计步骤 ，降低重量 的优化方案 以及最优算法的应用可使重量 减 轻 并满足 约束条件的疲劳强度。 这是一个典型的 疲劳约束下降低转向架重量的 结构优化问题 ,但 只是应用现有数控优化算法， 问题 是 无法解决的。在这一问题 上， 疲劳约束作为一种分析不表达功能方面
4、的设计变量。在这篇文章中 ， 建立 转向架构架 的有限元模型是为了模拟疲劳试验。这项研究中使用的转向架是由焊接构 架 、摇枕、自导向 机制 、一系 悬挂 、二系悬挂和盘形制动装置组成 。 转向架构架 疲劳强度的评估 则 根据 国际标准 UIC615-4 进行 “ 动力 单位 转向架和运行齿轮转向架构架结构强度试验 ” 。该优化问题是 由 一个 降低 转向架 重量的对 2 象函数 和约束条件 下 的疲劳设计标准 构成 。 近似疲劳的约束的 人工神经网络 (ANN)函数和微观遗传 算法 (GA)被 用来解决这一优化问题。 2 转向架构架 的应力分析 2.1 转向架构架的有限元模型 在这项研究中 ，
5、 分析 对象是摇枕 转向架 （图 1(a)） 。 对转向架构架有限元模型 数值分析的 目的是 进行 除摇枕外转向架 疲劳强度的评估 ， 拖车转向架构架是由 28250 个节点、23870 个矩形壳单元、 2710 个六角形固体单元紧密连接而成。 考虑到拖车转向架构架一系悬挂的边界条件，弹簧边界元件就可以建立，并且这些元件的刚度与一系悬挂完全相同。拖车转向架构架有 12 根弹簧为基本悬挂单元。软件程序使用 Altair Hyper Mesh 和ABAQU。 图 1 转向架构架模型 3 这个 转向架构架 材料是 SWS490A， 定义在文献 2， 该材料的性能见表 1。 2.2 负载条件下评价转向
6、架构架疲劳强度的影响 疲劳分析是基于暂行标准。 在职 载荷主要是为了确保使用时在已考虑到的主要力综合作用过程中 没有任何发生 疲劳裂纹 的风险。载 荷 产生的情 况，包含 转向架构架 的各种不同负载 、 直线轨道、曲线通过、轧制和跳跃的影响、和跟踪扭曲 。表 2 和 3 显示各个负载 的 负载情况和应用领域。 表 1 转向架构架材料特性 （ MPa） 材料 屈服强度 抗拉强度 疲劳极限 基本材料 磨削和焊接 焊接 SWS490A 323 490 157 108 78 表 2 主应力情况 载荷类型 载荷计算 施加区域 垂向载荷 1,2 2 + 1.21 + 旋启式连接支架 水平载荷 0.5 +
7、0.5+ 制动器安装架 扭转载荷 1,2 5 的跟踪扭矩 初级悬挂支架 在表 2 中， 是空车质量， 是转向架数量， + 是单个转向架质量， 1 是乘客的平均质量， g (m/s2)为重力加速度。根据表 2 和标准 UIC 615-4 1 ，主要载荷的情况可由表 3 进行规定。疲劳强度分析时使用的变量如 1,2, 1,2的施加情况列在图 .1(a)中。 在每个节点，每种载荷下的应力由表 3 确定。可以从结果看出， 表 5 中定义的 最大应力 和最小应力 的大小由图 2 中步骤确定， 根据 ，平均应力 和应力幅值 由下式定义 ： = + 2 和 = 2 1 表 3 主应力载荷（ KN） 载荷 垂向载荷 水平载荷 扭转载荷 1 2 1 2 1 120.82 120.82 0 2 108.74 84.57 0
