《鐵道車輛工程》教學(xué)課件PPT
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施加邊界條件的目的確定計算結(jié)果在工作過程中的應(yīng)力、變確定計算結(jié)果在工作過程中的應(yīng)力、變形、力、力矩分布和結(jié)構(gòu)的自振頻率；形、力、力矩分布和結(jié)構(gòu)的自振頻率；保證有限元計算模型在現(xiàn)有的計算軟件保證有限元計算模型在現(xiàn)有的計算軟件環(huán)境下能夠求解；環(huán)境下能夠求解；依據(jù)分析結(jié)構(gòu)的對稱性降低計算工作量。依據(jù)分析結(jié)構(gòu)的對稱性降低計算工作量。有限元法基礎(chǔ)知識 載荷邊界條件 節(jié)點(diǎn)集中載荷節(jié)點(diǎn)集中載荷 線載荷線載荷 面載荷面載荷 體載荷體載荷載荷載荷溫度、力、力矩、線位移、角位溫度、力、力矩、線位移、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 有限元法基礎(chǔ)知識 約束邊界條件 節(jié)點(diǎn)約束節(jié)點(diǎn)約束 線約束和面約束線約束和面約束 約束約束線位移和角位移 載荷工況是根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)運(yùn)用條件而確是根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)運(yùn)用條件而確定的計算模型的加載組合。工況的選擇定的計算模型的加載組合。工況的選擇應(yīng)盡可能真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的各種受力應(yīng)盡可能真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的各種受力情況，載荷工況的確定要參考相關(guān)的強(qiáng)情況，載荷工況的確定要參考相關(guān)的強(qiáng)度設(shè)計規(guī)范及試驗(yàn)規(guī)范。度設(shè)計規(guī)范及試驗(yàn)規(guī)范。有限元法基礎(chǔ)知識有限元法基礎(chǔ)知識 求解未知節(jié)點(diǎn)位移和計算單元應(yīng)力求解未知節(jié)點(diǎn)位移和計算單元應(yīng)力。后處理后處理 對對有有限限元元計計算算模模型型求求解解完完成成后后顯顯示示并并解釋計算結(jié)果的過程。解釋計算結(jié)果的過程。后處理目的檢查計算模型的正確性，顯示計算結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有邊界條件下的變形規(guī)律，通過觀察結(jié)構(gòu)變形的連續(xù)性，判定計算模型的正確性；檢查邊界條件的正確性，通過查看約束反力和反力矩，評定施加于計算模型上的載荷和約束是否正確；檢查計算結(jié)果是否有效，顯示計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，通過觀察結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律、出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置和施加邊界條件情況，判定計算結(jié)果的正確性；有限元法基礎(chǔ)知識后處理目的如果有多個計算邊界條件組合時，需對每個邊界條件的計算結(jié)果以數(shù)據(jù)文件的形式輸出，根據(jù)強(qiáng)度計算理論確定每個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化規(guī)律，評定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求。分析計算誤差，檢查現(xiàn)有的網(wǎng)格劃分密度是否能夠獲得高精度的計算結(jié)果。有限元法基礎(chǔ)知識后處理的主要形式 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)形形變變分分布布：表表示示結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)在在特特定定的的邊邊界界條條件件下下，在在不不同同方方向向上上的的線線位位移移和和角角位位移變化規(guī)律及其組合位移變化規(guī)律。移變化規(guī)律及其組合位移變化規(guī)律。結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)應(yīng)力力分分布布：表表示示結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)在在特特定定邊邊界界條條件件下下的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)應(yīng)力力分分布布規(guī)規(guī)律律。結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)應(yīng)力力包包括括節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)應(yīng)力力和和單單元元應(yīng)應(yīng)力力；應(yīng)應(yīng)力力分分為為等等效效應(yīng)力、主應(yīng)力和方向應(yīng)力。應(yīng)力、主應(yīng)力和方向應(yīng)力。有限元法基礎(chǔ)知識后處理的主要形式形形變變圖圖：是對結(jié)構(gòu)形變分布的圖形表示。通過形變圖可以直觀地了解受力后結(jié)構(gòu)的變形大小和規(guī)律，充分了解變形情況，判斷結(jié)構(gòu)形變的合理性。梯梯度度線線圖圖，變形計算結(jié)果采用變形梯度線用圖形的方法表示；變變形形圖圖，變形計算結(jié)果用變形值放大觀察結(jié)構(gòu)變形情況的圖形表示；矢矢量量顯顯示示圖圖，變形計算結(jié)果采用箭頭顯示模型中變形大小和方向的變化。有限元法基礎(chǔ)知識有限元法基礎(chǔ)知識后處理的主要形式應(yīng)力圖：是對結(jié)構(gòu)表面或截面應(yīng)力分布的圖形表示。通過應(yīng)力圖可以直觀地了解受力后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和大小，充分了解應(yīng)力分布規(guī)律，判斷結(jié)構(gòu)的合理性。梯梯度度線線圖圖，應(yīng)力計算結(jié)果采用應(yīng)力梯度線用圖形的方法表示；矢矢量量顯顯示示圖圖，應(yīng)力計算結(jié)果采用箭頭顯示模型中應(yīng)力的大小和方向的變化。有限元法基礎(chǔ)知識有限元法基礎(chǔ)知識 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架 機(jī)車：UIC615-4動力車/轉(zhuǎn)向架及走行部/轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)、UIC615-1動力車/轉(zhuǎn)向架 走行部/組成部分的一般規(guī)定和TB/T2368-2005動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法；貨車：UIC510-3貨車 二軸和三軸貨車轉(zhuǎn)向架在試驗(yàn)臺上的試驗(yàn)和TB/T1335-96鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗(yàn)鑒定規(guī)范；客車：UIC515-4客車/轉(zhuǎn)向架 走行部/轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn) 和TB/T2637-2008鐵道客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕和搖動臺。EN13749-2011鐵路應(yīng)用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法 強(qiáng)度計算與試驗(yàn)分類 （1）超常載荷作用下的靜強(qiáng)度 計算與試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證構(gòu)架在運(yùn)用中出現(xiàn)的幾個最大載荷聯(lián)合作用下不發(fā)生永久變形。（2）模擬運(yùn)行載荷作用下的靜強(qiáng)度計算 計算與試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證在運(yùn)用中的主要載荷（垂向的、橫向的、縱向的及軌道扭曲的影響）共同作用下不產(chǎn)生疲勞裂紋。（3）模擬運(yùn)行載荷作用下的疲勞強(qiáng)度計算 計算與試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度和檢查潛在的薄弱環(huán)節(jié)及評估其安全余量。（4）模擬運(yùn)行中的特殊載荷作用下的疲勞強(qiáng)度計算 計算的目的是驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架構(gòu)架安裝的部件(抗側(cè)滾扭桿、減振器、制動設(shè)備等)以及通過小曲線半徑時而引起的交變應(yīng)力不會導(dǎo)致局部疲勞裂紋發(fā)生的危險。8.5.4 計算載荷與計算載荷工況 作用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的載荷主要包括：垂向載荷、橫向載荷、扭曲載荷、制動載荷和縱向載荷等。（1）超常載荷工況下的計算載荷 作用于轉(zhuǎn)向架上的垂向載荷 對于貨車轉(zhuǎn)向架：=0.5；對于機(jī)車和客車轉(zhuǎn)向架：=0.4 作用于轉(zhuǎn)向架上的橫向載荷在三軸轉(zhuǎn)向架中(nb=3)，則假設(shè)其中間輪對不參與橫向力的傳遞。扭曲載荷 對于貨車和客車轉(zhuǎn)向架，當(dāng)轉(zhuǎn)向架裝有懸掛裝置時，在滿載狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受的扭曲載荷為線路最大扭曲的10，在空載狀態(tài)下，一個車輪完全卸載。對于機(jī)車轉(zhuǎn)向架，為了模擬轉(zhuǎn)向架的脫軌工況，轉(zhuǎn)向架的扭曲載荷相應(yīng)于某一個車輪在其平面內(nèi)的100%的卸載。（2）正常運(yùn)行載荷工況下的計算載荷 作用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上每側(cè)梁的垂向靜載荷 對于機(jī)車和客車轉(zhuǎn)向架 對于貨車轉(zhuǎn)向架 作用于轉(zhuǎn)向架上的垂向動載荷 對于機(jī)車和客車轉(zhuǎn)向架，將機(jī)車車輛通過曲線時由離心力和風(fēng)力引起的車體側(cè)滾運(yùn)動對構(gòu)架左右側(cè)梁垂向載荷的影響，由垂向載荷的某一百分?jǐn)?shù)表示，這里=0.1；由于車體的垂向運(yùn)動（浮沉）而引起的垂向載荷的動態(tài)變化用垂向載荷的某一百分?jǐn)?shù)表示，這里=0.2。系數(shù)和之和等于0.3，通常符合常規(guī)鐵路線路的正常運(yùn)行條件。若線路條件變差，對于轉(zhuǎn)向架可以通過提高上述系數(shù)來考慮，例如：+=0.4。對于貨車轉(zhuǎn)向架，將貨車通過曲線時由離心力和風(fēng)力引起的車體側(cè)滾運(yùn)動對構(gòu)架左右側(cè)梁垂向載荷的影響，由垂向載荷的某一百分?jǐn)?shù)表示，對于旁承間距為1700mm的標(biāo)準(zhǔn)貨車轉(zhuǎn)向架=0.2，對于旁承間距2Bg不同于1700mm的轉(zhuǎn)向架，=0.2 1700/2Bg；由于車體的垂向運(yùn)動（浮沉）而引起的垂向載荷的動態(tài)變化用垂向載荷的某一百分?jǐn)?shù)表示，=0.3。作用于轉(zhuǎn)向架上的橫向載荷 對于機(jī)車和客車 對于貨車 扭曲載荷 對于貨車、客車和機(jī)車轉(zhuǎn)向架，當(dāng)轉(zhuǎn)向架裝有懸掛裝置時，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受的扭曲載荷為線路最大扭曲的5。縱向載荷 對于貨車和客車轉(zhuǎn)向架，通常不施加縱向載荷。但是為了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架安全，強(qiáng)度計算時應(yīng)考核制動工況產(chǎn)生的縱向載荷對構(gòu)架強(qiáng)度的影響；對于機(jī)車轉(zhuǎn)向架，縱向載荷按啟動牽引力與制動力的較大者考慮。對于機(jī)車或者動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，電機(jī)振動或者短路產(chǎn)生的載荷根據(jù)其在構(gòu)架上的安裝方式確定。此外，減振器、制動裝置、抗側(cè)滾扭桿對構(gòu)架的載荷根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定。在上述確定的載荷作用下，對于機(jī)車和客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，基于靜強(qiáng)度結(jié)果對構(gòu)架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評定的計算載荷工況分為13個載荷工況，每個載荷工況的載荷組合見下表，各向載荷作用位置如下圖所示。表 機(jī)車和客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架計算載荷工況及載荷組合 對于貨車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，基于靜強(qiáng)度結(jié)果對構(gòu)架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評定的計算載荷工況分為11個載荷工況，每個載荷工況的載荷組合見下表。如果計算表明扭曲載荷的效果明顯不同于垂向和橫向力（例如，在兩類載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力出現(xiàn)在構(gòu)架的不同部位）時，那么扭曲載荷可以與其它載荷類型分開單獨(dú)施加，在強(qiáng)度分析中進(jìn)行考核。如果以上情況不滿足，則在強(qiáng)度分析中同時施加垂向、橫向和扭曲載荷。表 貨車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架計算載荷工況及載荷組合構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評定 按照上述給出的疲勞強(qiáng)度評定方法對焊接的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評定。對采用有限元方法分析的構(gòu)架結(jié)構(gòu)，通過有限元計算程序輸出計算模型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布信息，利用彈性力學(xué)理論計算節(jié)點(diǎn)的三向主應(yīng)力值及其與節(jié)點(diǎn)位置基準(zhǔn)夾角的方向余弦，確定每個節(jié)點(diǎn)在不同載荷工況作用下的最大和最小主應(yīng)力值，按下式計算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅或應(yīng)力比（應(yīng)力循環(huán)特性）。根據(jù)修正的Goodman曲線或Moore-Kommers-Japer疲勞曲線評定疲勞強(qiáng)度。焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的特點(diǎn)應(yīng)力計算方法應(yīng)力計算方法
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