《铁道车辆工程》教学课件PPT
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施加边界条件的目的确定计算结果在工作过程中的应力、变确定计算结果在工作过程中的应力、变形、力、力矩分布和结构的自振频率；形、力、力矩分布和结构的自振频率；保证有限元计算模型在现有的计算软件保证有限元计算模型在现有的计算软件环境下能够求解；环境下能够求解；依据分析结构的对称性降低计算工作量。依据分析结构的对称性降低计算工作量。有限元法基础知识 载荷边界条件 节点集中载荷节点集中载荷 线载荷线载荷 面载荷面载荷 体载荷体载荷载荷载荷温度、力、力矩、线位移、角位温度、力、力矩、线位移、角位移、重力加速度、角速度和角加速度等移、重力加速度、角速度和角加速度等 有限元法基础知识 约束边界条件 节点约束节点约束 线约束和面约束线约束和面约束 约束约束线位移和角位移 载荷工况是根据实际结构运用条件而确是根据实际结构运用条件而确定的计算模型的加载组合。工况的选择定的计算模型的加载组合。工况的选择应尽可能真实反映实际结构的各种受力应尽可能真实反映实际结构的各种受力情况，载荷工况的确定要参考相关的强情况，载荷工况的确定要参考相关的强度设计规范及试验规范。度设计规范及试验规范。有限元法基础知识有限元法基础知识 求解未知节点位移和计算单元应力求解未知节点位移和计算单元应力。后处理后处理 对对有有限限元元计计算算模模型型求求解解完完成成后后显显示示并并解释计算结果的过程。解释计算结果的过程。后处理目的检查计算模型的正确性，显示计算结构在现有边界条件下的变形规律，通过观察结构变形的连续性，判定计算模型的正确性；检查边界条件的正确性，通过查看约束反力和反力矩，评定施加于计算模型上的载荷和约束是否正确；检查计算结果是否有效，显示计算结构的应力分布，通过观察结构的应力变化规律、出现最大应力的位置和施加边界条件情况，判定计算结果的正确性；有限元法基础知识后处理目的如果有多个计算边界条件组合时，需对每个边界条件的计算结果以数据文件的形式输出，根据强度计算理论确定每个节点的应力变化规律，评定结构的强度是否满足要求。分析计算误差，检查现有的网格划分密度是否能够获得高精度的计算结果。有限元法基础知识后处理的主要形式 结结构构形形变变分分布布：表表示示结结构构在在特特定定的的边边界界条条件件下下，在在不不同同方方向向上上的的线线位位移移和和角角位位移变化规律及其组合位移变化规律。移变化规律及其组合位移变化规律。结结构构应应力力分分布布：表表示示结结构构在在特特定定边边界界条条件件下下的的结结构构应应力力分分布布规规律律。结结构构应应力力包包括括节节点点应应力力和和单单元元应应力力；应应力力分分为为等等效效应力、主应力和方向应力。应力、主应力和方向应力。有限元法基础知识后处理的主要形式形形变变图图：是对结构形变分布的图形表示。通过形变图可以直观地了解受力后结构的变形大小和规律，充分了解变形情况，判断结构形变的合理性。梯梯度度线线图图，变形计算结果采用变形梯度线用图形的方法表示；变变形形图图，变形计算结果用变形值放大观察结构变形情况的图形表示；矢矢量量显显示示图图，变形计算结果采用箭头显示模型中变形大小和方向的变化。有限元法基础知识有限元法基础知识后处理的主要形式应力图：是对结构表面或截面应力分布的图形表示。通过应力图可以直观地了解受力后结构的应力分布和大小，充分了解应力分布规律，判断结构的合理性。梯梯度度线线图图，应力计算结果采用应力梯度线用图形的方法表示；矢矢量量显显示示图图，应力计算结果采用箭头显示模型中应力的大小和方向的变化。有限元法基础知识有限元法基础知识 转向架构架 机车：UIC615-4动力车/转向架及走行部/转向架构架强度试验、UIC615-1动力车/转向架 走行部/组成部分的一般规定和TB/T2368-2005动力转向架构架强度试验方法；货车：UIC510-3货车 二轴和三轴货车转向架在试验台上的试验和TB/T1335-96铁道车辆强度设计及试验鉴定规范；客车：UIC515-4客车/转向架 走行部/转向架构架强度试验 和TB/T2637-2008铁道客车转向架构架、摇枕和摇动台。EN13749-2011铁路应用转向架构架结构要求的规定方法 强度计算与试验分类 （1）超常载荷作用下的静强度 计算与试验的目的是验证构架在运用中出现的几个最大载荷联合作用下不发生永久变形。（2）模拟运行载荷作用下的静强度计算 计算与试验的目的是验证在运用中的主要载荷（垂向的、横向的、纵向的及轨道扭曲的影响）共同作用下不产生疲劳裂纹。（3）模拟运行载荷作用下的疲劳强度计算 计算与试验的目的是验证转向架构架的疲劳强度和检查潜在的薄弱环节及评估其安全余量。（4）模拟运行中的特殊载荷作用下的疲劳强度计算 计算的目的是验证转向架构架安装的部件(抗侧滚扭杆、减振器、制动设备等)以及通过小曲线半径时而引起的交变应力不会导致局部疲劳裂纹发生的危险。8.5.4 计算载荷与计算载荷工况 作用于转向架构架上的载荷主要包括：垂向载荷、横向载荷、扭曲载荷、制动载荷和纵向载荷等。（1）超常载荷工况下的计算载荷 作用于转向架上的垂向载荷 对于货车转向架：=0.5；对于机车和客车转向架：=0.4 作用于转向架上的横向载荷在三轴转向架中(nb=3)，则假设其中间轮对不参与横向力的传递。扭曲载荷 对于货车和客车转向架，当转向架装有悬挂装置时，在满载状态下转向架构架承受的扭曲载荷为线路最大扭曲的10，在空载状态下，一个车轮完全卸载。对于机车转向架，为了模拟转向架的脱轨工况，转向架的扭曲载荷相应于某一个车轮在其平面内的100%的卸载。（2）正常运行载荷工况下的计算载荷 作用于转向架构架上每侧梁的垂向静载荷 对于机车和客车转向架 对于货车转向架 作用于转向架上的垂向动载荷 对于机车和客车转向架，将机车车辆通过曲线时由离心力和风力引起的车体侧滚运动对构架左右侧梁垂向载荷的影响，由垂向载荷的某一百分数表示，这里=0.1；由于车体的垂向运动（浮沉）而引起的垂向载荷的动态变化用垂向载荷的某一百分数表示，这里=0.2。系数和之和等于0.3，通常符合常规铁路线路的正常运行条件。若线路条件变差，对于转向架可以通过提高上述系数来考虑，例如：+=0.4。对于货车转向架，将货车通过曲线时由离心力和风力引起的车体侧滚运动对构架左右侧梁垂向载荷的影响，由垂向载荷的某一百分数表示，对于旁承间距为1700mm的标准货车转向架=0.2，对于旁承间距2Bg不同于1700mm的转向架，=0.2 1700/2Bg；由于车体的垂向运动（浮沉）而引起的垂向载荷的动态变化用垂向载荷的某一百分数表示，=0.3。作用于转向架上的横向载荷 对于机车和客车 对于货车 扭曲载荷 对于货车、客车和机车转向架，当转向架装有悬挂装置时，转向架构架承受的扭曲载荷为线路最大扭曲的5。纵向载荷 对于货车和客车转向架，通常不施加纵向载荷。但是为了转向架构架安全，强度计算时应考核制动工况产生的纵向载荷对构架强度的影响；对于机车转向架，纵向载荷按启动牵引力与制动力的较大者考虑。对于机车或者动力转向架构架，电机振动或者短路产生的载荷根据其在构架上的安装方式确定。此外，减振器、制动装置、抗侧滚扭杆对构架的载荷根据标准确定。在上述确定的载荷作用下，对于机车和客车转向架构架，基于静强度结果对构架进行疲劳强度评定的计算载荷工况分为13个载荷工况，每个载荷工况的载荷组合见下表，各向载荷作用位置如下图所示。表 机车和客车转向架构架计算载荷工况及载荷组合 对于货车转向架构架，基于静强度结果对构架进行疲劳强度评定的计算载荷工况分为11个载荷工况，每个载荷工况的载荷组合见下表。如果计算表明扭曲载荷的效果明显不同于垂向和横向力（例如，在两类载荷作用下产生的应力出现在构架的不同部位）时，那么扭曲载荷可以与其它载荷类型分开单独施加，在强度分析中进行考核。如果以上情况不满足，则在强度分析中同时施加垂向、横向和扭曲载荷。表 货车转向架构架计算载荷工况及载荷组合构架疲劳强度评定 按照上述给出的疲劳强度评定方法对焊接的疲劳强度进行评定。对采用有限元方法分析的构架结构，通过有限元计算程序输出计算模型节点的应力分布信息，利用弹性力学理论计算节点的三向主应力值及其与节点位置基准夹角的方向余弦，确定每个节点在不同载荷工况作用下的最大和最小主应力值，按下式计算平均应力和应力幅或应力比（应力循环特性）。根据修正的Goodman曲线或Moore-Kommers-Japer疲劳曲线评定疲劳强度。焊接结构疲劳失效的特点焊接结构疲劳失效的特点应力计算方法应力计算方法
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