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動車組是由若干動力車和拖車或全部由動力車長期固定連掛在一起組成的車組。動車組的關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)向架，它支承車體并使之在軌道上運(yùn)行，其中構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的骨架，是安裝各種零部件的載體，承受和傳遞垂向力、水平力和扭矩等。為實(shí)現(xiàn)車輛的高速化，動車組采用了輕量化的焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架。隨著列車速度的不斷提高，線路固有頻率范圍加寬，而轉(zhuǎn)向架構(gòu)架自重不斷減輕，其固有頻率降低，這樣就導(dǎo)致構(gòu)架的低階彈性振型有可能處于線路的激擾范圍之內(nèi)，從而使構(gòu)架的某些部位產(chǎn)生較大的動態(tài)變形。因此，轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的疲勞可靠性問題已成為一個迫切需要解決的問題。
世界各發(fā)達(dá)國家十分重視機(jī)車車輛關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞可靠性問題。北美鐵路協(xié)會通過大量的調(diào)查研究和試驗(yàn)研究，在AAR標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了車輛承載構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。西歐各國則根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)，制定了與實(shí)際較為接近的UIC標(biāo)準(zhǔn)。日本鐵路部門對疲勞設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，提出了日本鐵路軌道疲勞設(shè)計(jì)方法，并頒布了JIS規(guī)范。我國鐵路線路條件與歐美、日本鐵路有著較大差別，確定符合我國線路實(shí)際運(yùn)營狀況的疲勞設(shè)計(jì)載荷，也就是找到符合我國線路運(yùn)營條件的動載荷系數(shù)，是正確使用設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。
針對CRH2動車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架，采用模擬計(jì)算和線路實(shí)測兩種手段得到構(gòu)架上關(guān)鍵部位的等效應(yīng)力，并依據(jù)JIS E 4207規(guī)范(鐵路車輛-轉(zhuǎn)向架-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)通則)對該構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的有限元分析評估。
CRH2轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)架的主體框架在水平面內(nèi)呈H形，由兩側(cè)梁、橫梁及空氣彈簧支承梁等構(gòu)成，如圖所示。動車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量為7364 kg，空氣彈簧橫向跨距為2460 mm，最大軸重為16.0 t(200%定員)，彈性定位節(jié)點(diǎn)剛度在橫向和縱向分別為5.49 MN/m和13.7 MN/m，軸箱彈簧垂向剛度為1.244 MN/m。
綜合考慮整個構(gòu)架的計(jì)算量、計(jì)算精度及構(gòu)架結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，選用10節(jié)點(diǎn)二次實(shí)體單元Solid92，采用HYPERMSEH和ANSYS軟件對構(gòu)架整體進(jìn)行有限元離散和計(jì)算。網(wǎng)格數(shù)量決定了計(jì)算結(jié)果的精度和規(guī)模，權(quán)衡網(wǎng)格數(shù)量與精確度兩者的關(guān)系，最終離散出的節(jié)點(diǎn)數(shù)為356310，單元數(shù)為180 307。離散模型的質(zhì)量與實(shí)際結(jié)構(gòu)質(zhì)量十分接近。
對于邊界條件，采用全約束彈簧單元Combin14。另外，考慮到牽引電機(jī)和制動時電機(jī)質(zhì)心、制動力作用點(diǎn)的位置，采用梁單元Beam188進(jìn)行模擬。
構(gòu)架強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)動車組構(gòu)架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，依據(jù)日本JISE 4207標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)計(jì)上的通用條件，分為載荷條件、強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件及剛性設(shè)計(jì)條件。其中載荷條件分為靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷，強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件分為應(yīng)力計(jì)算及許用應(yīng)力。
靜載荷條件。靜載荷條件是指車輛在停止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所承載的載荷。主要由一個轉(zhuǎn)向架所承載由車身質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷、一個轉(zhuǎn)向架所承載的由裝載質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷、由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷組成。
動載荷條件。動載荷條件是指車輛在運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所承受的載荷，分為靜載荷與附加系數(shù)的積所表示的載荷以及安裝部件的特性所決定的載荷(需要考慮線路條件及車輛的實(shí)際振動和預(yù)測振動的大小)。
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