动车组车辆构造及设计转向架零部件和车体CADCAE设计(精简).ppt

1、兰州交通大学机电学院机车车辆系兰州交通大学机电学院机车车辆系商跃进商跃进（1）几何参数）几何参数（2）弹簧应力分析）弹簧应力分析（3）单卷弹簧设计公式）单卷弹簧设计公式（4）双卷弹簧设计双卷弹簧设计公式公式（5）弹簧现代设计）弹簧现代设计d簧条直径（簧条直径（mm）D弹簧中径，即螺旋线圆柱直径弹簧中径，即螺旋线圆柱直径n弹簧的有效圈数，即螺旋线的圈数弹簧的有效圈数，即螺旋线的圈数H0弹簧的自由高弹簧的自由高D2=D+d弹簧外径弹簧外径D1=D-d弹簧内径弹簧内径弹簧的螺旋角，即螺旋线的升角弹簧的螺旋角，即螺旋线的升角t簧条间距，即螺旋线的节距簧条间距，即螺旋线的节距 螺旋线的极角螺旋线的极角C

2、旋绕比，旋绕比，C=D/dDlnDtcostantan2sin2cos2DzDyDxtzxyD 基基本本参参数数单卷弹簧单卷弹簧传统传统设计设计方法方法 1、几何参数、几何参数2、卷制工艺、卷制工艺3、仿真设计、仿真设计4、配置、配置5、库零件、库零件卷制工艺卷制工艺 制造工艺过程制造工艺过程:修正修正下料下料端部加热端部加热锻尖锻尖加热加热卷绕卷绕淬火淬火回火回火强化处理（喷丸、强压、渗碳）强化处理（喷丸、强压、渗碳）磨平端面磨平端面试验或验收。试验或验收。热卷大弹簧热卷大弹簧.flv仿真设计仿真设计（1）一段变螺距螺旋线扫描法）一段变螺距螺旋线扫描法（2）三段等螺距螺旋线扫描法）三段等螺距

3、螺旋线扫描法（3）三段直线扫描法）三段直线扫描法（4）弹簧练习）弹簧练习（1 1）一段变螺距螺旋线扫描法）一段变螺距螺旋线扫描法弹簧是由簧条弹簧是由簧条圆绕一条螺旋圆绕一条螺旋线旋转而成的，线旋转而成的，故其造型过程故其造型过程为：先绘制螺为：先绘制螺旋线，再绘制旋线，再绘制簧条圆，然后簧条圆，然后利用扫描特征利用扫描特征创建弹簧基体，创建弹簧基体，最后利用拉伸最后利用拉伸切除特征创建切除特征创建支撑圈。支撑圈。（2 2）三段等螺距螺旋线扫描法）三段等螺距螺旋线扫描法（3 3）三段直线扫描法）三段直线扫描法先钢丝先钢丝后卷滚后卷滚（4 4）弹簧练习）弹簧练习用多种方法进行弹簧建模用多种方法进行

4、弹簧建模配置 SolidWorks配配置可以在单一的文件置可以在单一的文件中对零件或装配体生中对零件或装配体生成多个设计变化，来成多个设计变化，来开发与管理一组有着开发与管理一组有着不同尺寸、零部件或不同尺寸、零部件或其他参数的模型。在其他参数的模型。在零件文件中，配置可零件文件中，配置可以生成具有不同尺寸、以生成具有不同尺寸、特征和属性的零件系特征和属性的零件系列。可以手动生成配列。可以手动生成配置，也可以使用系列置，也可以使用系列零件设计表同时建立零件设计表同时建立多个配置。多个配置。右键单击特征尺寸（弹簧高度）配置尺寸输入配置尺寸：安装高度和对应的静载高值：二次开发二次开发 二次开发，简

5、单的说就是在现有的软件上进行定制修改，功能的扩展，然后达到自己想要的功能，Private Sub CmdClose_Click()EndEnd SubPrivate Sub CmdOK_Click()MDiameterValue=Val(TxtMD.Text)/1000 从文本框获取新的中径 TDiameterValue=Val(TxtTd.Text)/1000 从文本框获取新的簧条直径 nValue=Val(Txtn.Text)从文本框获取新的有效圈数 FmaxValue=Val(Txtfmax.Text)/1000 从文本框获取新的最大挠度 Call ParameterSub(MDiame

6、terValue,TDiameterValue,nValue,FmaxValue)调用更新函数End Sub弹簧弹簧CAE设计实例设计实例-转转K2弹弹簧有限元簧有限元分析分析（1）刚度（）刚度（f=mm）（2）强度（）强度（f=47.2mm）几几何何非非线线性性|大大变变形形问问题题（C）算例算例已知某机车弹簧的相关参数为：已知某机车弹簧的相关参数为：Pst=119.428kN，fst=106.0mm，H0=490mm。材料为。材料为60Si2CrVAT，许用应力许用应力=1050MPa4，疲劳许，疲劳许用应力用应力-1=370MPa。取机车取。取机车取弹簧裕度系数弹簧裕度系数Kvd=0.5

7、，动荷系数，动荷系数Kd=0.255。1.“目标函数目标函数”m文件文件2.“约束条件约束条件”m文件文件3.“优化程序优化程序”m文件文件（A）Matlab中的中的分析步骤分析步骤 1.建立优化模型并转成标准格式。建立优化模型并转成标准格式。2.生成生成“优化目标函数优化目标函数”m文件文件3.生成生成“优化约束条件优化约束条件”m文件文件4.生成生成“优化求解程序优化求解程序”m文件文件5.执行求解程序。执行求解程序。（B）弹簧优化设计数学模型）弹簧优化设计数学模型执行：执行：OPTProg结果：结果：x=50.8034 220.9303 4.7975 fval=6.8228e+004 传

8、统计算方法传统计算方法 日本日本JIS E 4501铁铁道车辆车轴强度设计方道车辆车轴强度设计方法和法和JIS E 4502铁道车铁道车辆车轴品质要求辆车轴品质要求12v1300b123wbb()/4,()()/Mjg WMM MrPQ alyRm MMMZn00L/,()/,()/2,Qhpj Rhr Pg PWyaljglxy车辆车轴设计车辆车轴设计(TBT 2705-96).xls加工加工a、b、c、d、e、f、g面和各轴面和各轴肩进行加工；肩进行加工；（1）车轮建模顺序）车轮建模顺序（2）踏面作图方法）踏面作图方法（3）踏面作图步骤）踏面作图步骤车轮生产工艺车轮生产工艺车轮一直由两道工

9、序加工完成车轮一直由两道工序加工完成,即：即：先加工内壳面、内辐板、轮缘、内辋面；先加工内壳面、内辐板、轮缘、内辋面；然后翻身找正加工外壳面、外辐板、外辋面、踏面及孔然后翻身找正加工外壳面、外辐板、外辋面、踏面及孔 其中轮缘、踏面在喉部接刀。其中轮缘、踏面在喉部接刀。辗制工艺辗制工艺草图尽量简，特征需关联，草图尽量简，特征需关联，造型要仿真，别只顾眼前造型要仿真，别只顾眼前。切右辐板切右辐板钻轮毂孔钻轮毂孔选材料选材料切左辐板切左辐板镟踏面镟踏面1-内辋面内辋面 2-内壳面内壳面 3-内辐板内辐板 4-轮缘轮缘 5-喉部喉部 6-踏面踏面 7-外辋面外辋面 8-轮轮 辐辐 9-外辐板外辐板 1

10、0-外壳面外壳面车轮建模顺车轮建模顺序序 磨耗形踏面作图方法磨耗形踏面作图方法TB-T 449-2003 机车车辆车轮轮缘踏面外形机车车辆车轮轮缘踏面外形踏面作图步骤库特征库特征 库特征能将常用的特征用特定的格式保存起来，在需要用到的时候只库特征能将常用的特征用特定的格式保存起来，在需要用到的时候只要求一个拖放和简单的定位即可完成特征的创建。库特征的内容还可以是要求一个拖放和简单的定位即可完成特征的创建。库特征的内容还可以是草图，对于常用的复杂草图和复杂特征更是能起到一劳永逸的效果。草图，对于常用的复杂草图和复杂特征更是能起到一劳永逸的效果。（1）生成库特征）生成库特征（2）使用库特征）使用库

11、特征（3）编辑库特征）编辑库特征（1）生成库特征）生成库特征生成草图生成草图添加到库添加到库（2）使用库特征）使用库特征生成父特征生成父特征添加库特征添加库特征生成子特征生成子特征（3）编辑库特征）编辑库特征（4）踏面库特征）踏面库特征车轮建模练习车轮建模练习 根据根据UIC 510-5：2003（整体车轮技（整体车轮技术）标准进行车轮设计，对于安装到动术）标准进行车轮设计，对于安装到动轴上的车轮，考虑车轮通过直线、曲线轴上的车轮，考虑车轮通过直线、曲线和道岔时的载荷。和道岔时的载荷。除了上述除了上述UIC 510-5UIC 510-5规定的垂向和横向载荷外，还应规定的垂向和横向载荷外，还应考

12、虑下表所示的载荷条件。考虑下表所示的载荷条件。切向载荷切向载荷(粘着系数粘着系数0.33)0.33)27.5 kN27.5 kN最大速度情况下最大速度情况下(200(200公里公里/小时小时)转速转速1310 rpm1310 rpm车轴与车轮压装的最大过盈量车轴与车轮压装的最大过盈量0.30 mm0.30 mm踏面上热处理偏差而产生的应力踏面上热处理偏差而产生的应力载荷工况载荷工况垂向力垂向力横向力横向力直线运行直线运行Fz1=1.25QFy1=0曲线运行曲线运行Fz2=1.25QFy2=0.7Q过道岔过道岔Fz3=1.25QFy3=0.42QQ:每个车轮承担的重量每个车轮承担的重量载荷工况载

13、荷工况载荷载荷直线运行直线运行垂直载荷垂直载荷Fz1+过盈量过盈量+最大速度下的转速最大速度下的转速曲线运行曲线运行垂直载荷垂直载荷Fz2+横向载荷横向载荷Fy2+过盈量过盈量+最大速度下的转速最大速度下的转速过道岔过道岔垂直载荷垂直载荷Fz3+横向载荷横向载荷Fy3+过盈量过盈量+最大速度下的转速最大速度下的转速GB 8601-1988铁路用辗钢整体车轮-客车车轮直线运行直线运行Fz1=1.25Q=1.25*160/2=100kN 目前路内大多数工厂采用以轮毂孔外端面目前路内大多数工厂采用以轮毂孔外端面定位压装车轴的轮对压装方法定位压装车轴的轮对压装方法,其工艺过程是其工艺过程是:(1)轮轴

14、套装轮轴套装:用车轴专用尺划出车轴的全长中心线,并在车轴两端轴颈上套上防护套;然后将选配好的车轴轮座表面和车轮轮毂孔内清扫干净,并均匀地涂抹纯净植物油;最后将两个车轮分别套装在车轴的两端。图图2以轮毂孔外端面定位压装车轴以轮毂孔外端面定位压装车轴轮对压装过程轮对压装过程(2)定位定位:将套装好的车轮车轴吊放到轮对压装专用的移动(旋转)小车上,启动小车开关,使轮毂孔的外端面靠紧压力机的定位面即完成压装的定位。(3)压装压装:启动压力机进行压装。通过专用对称尺划出的车轴全长中心线,压装到位后(操作者目测判断),关机停压(若在压装过程中发现压力曲线不合格则立即停压),打开小车开关,将小车复位。(4)

15、调头压装调头压装:将小车旋转180,再按同样的过程压装另一侧的车轮。(5)检测检测:车轮压装完成后,用专用尺仔细测量L和任意3处的距离差,并检查轮位差和压装力大小以及压力曲线是否合格。(6)记录记录:对压装合格的轮对,按照铁辆19982号文之附件5中的F5、2、7条的规定完成有关数据的记录。对压装不合格的轮对,应及时退卸并分析原因,妥善处理后重新压装。TB-T 1718-2003 铁道车辆轮对组装技术条件轮对压装位置要求轮对压装位置要求(1)轮对内侧距离轮对内侧距离L=(1 3532)mm,且任意且任意3处处距离差不大于距离差不大于1 mm。当内侧距离当内侧距离L不符合规不符合规定时定时,不得

16、向外侧调压不得向外侧调压,但当轮对内侧距离比规但当轮对内侧距离比规定的最小距离小定的最小距离小1 mm以下时或因车轮辗制不以下时或因车轮辗制不均匀而致使任均匀而致使任3处距离处距离差超过规定时差超过规定时,可以通可以通过旋削轮辋内侧面进行过旋削轮辋内侧面进行调整。调整。(2)轮对轮位差轮对轮位差:L1-L2 3 mm。轮对装配（1）理论计算）理论计算（2）CAE分析分析 为保证运行过程中，车轮不会与车轴发生相对转动或脱离，轮轴之间应有足够的为保证运行过程中，车轮不会与车轴发生相对转动或脱离，轮轴之间应有足够的接触压应力。接触压应力。在标准在标准EN13260:1998对轮对轮轴过盈量对轮对轮轴

17、过盈量j有如下规定：有如下规定：a)采用收缩装配采用收缩装配:0.0009dmj 0.0015dm;b)采用压力装配采用压力装配:0.0010dmj0.0015dm+0.06;其中其中:dm表示轮座位置轴的平均直径，单位为表示轮座位置轴的平均直径，单位为mm。dm=194mm时，时，0.174mm j 0.291mm式中式中H一轮对所受的横向力一轮对所受的横向力;M一轮对一轮对所受的扭矩所受的扭矩;R-轮毅孔半径轮毅孔半径;L为轮对为轮对装配长度装配长度;f为轮轴配合面摩擦系数。为轮轴配合面摩擦系数。接触强度：接触强度：冷缩配合冷缩配合轴轴194.2mm孔孔194mm（1）理论计算）理论计算（

18、2）CAE分析分析 车轮与钢轨之间的最大接触压力车轮与钢轨之间的最大接触压力相当大，甚至于超过了弹性极限，因相当大，甚至于超过了弹性极限，因此在接触表面层产生塑性变形。此在接触表面层产生塑性变形。车轮与钢轨的接触是以两个不同车轮与钢轨的接触是以两个不同半径构成的曲面形成的，故这个接触半径构成的曲面形成的，故这个接触压力按赫兹压力的计算式。压力按赫兹压力的计算式。1、制动性能计算、制动性能计算 热量载荷：制动过程中制动盘和闸片摩擦生热，在盘热量载荷：制动过程中制动盘和闸片摩擦生热，在盘体和盘毂上产生热应力和热变形。体和盘毂上产生热应力和热变形。对流载荷：对流载荷：制动过程中制动盘表面对空气散热。

19、制动过程中制动盘表面对空气散热。压力载荷：盘体受到闸片的压力。压力载荷：盘体受到闸片的压力。摩擦力载荷：盘体受到闸片的摩擦力。摩擦力载荷：盘体受到闸片的摩擦力。旋转离心力：制动盘高速旋转产生离心力，导致盘毂旋转离心力：制动盘高速旋转产生离心力，导致盘毂产生变形和应力。产生变形和应力。振动载荷：车辆运行时，由于轮轨作用导致盘毂受到振动载荷：车辆运行时，由于轮轨作用导致盘毂受到振动载荷的作用。振动载荷的作用。压装载荷：盘毂和车轴的过盈配合使盘毂发生变形而压装载荷：盘毂和车轴的过盈配合使盘毂发生变形而产生应力。产生应力。踏面制动车轮热机耦合分析踏面制动车轮热机耦合分析 对车轮热负荷最不对车轮热负荷最

20、不利的制动工况利的制动工况：紧急制动工况热流密度紧急制动工况热流密度分别为分别为288.8 kW/m2拖曳制动工况热流密度拖曳制动工况热流密度为为175.6kW/m2。温温度度场场结结果果 热热机机耦耦合合场场结结果果（一）构架强度设计规范（一）构架强度设计规范（二）构架强度分析（二）构架强度分析 UIC515/UIC615规程规程 JISE4207“铁道车辆转向架构架设计通用条件铁道车辆转向架构架设计通用条件”模拟运营载荷模拟运营载荷平均应力与应力幅平均应力与应力幅m、a放入相应材料母材放入相应材料母材/接头的接头的GoodmanGoodman图图评估疲劳强度评估疲劳强度 超常载荷超常载荷

21、应力应力与母材与母材/接头接头许用应力比较许用应力比较评估静强度评估静强度有限元计算静静载荷载荷平均应力平均应力m 与母材与母材/接头接头许用应力比较许用应力比较评估静强度评估静强度动载荷动载荷 应力幅应力幅a放入相应材料的放入相应材料的疲劳极限图疲劳极限图评估疲劳强度评估疲劳强度2、构架强度分析1、构架、构架CAD2、构架、构架CAE（1）构架CAD构架加工工艺.MPG构架-new-a.avi（2）构架CAE一、车体外形设计一、车体外形设计二、车体结构强度设计二、车体结构强度设计外形设计的基本要求外形设计的基本要求外形设计的基本要求外形设计的基本要求 随着列车运行速度的提高，周围空气的动力作

22、用一方面对列车和列车运随着列车运行速度的提高，周围空气的动力作用一方面对列车和列车运行性能产生影响；同时，列车高速运行引起的气动现象对周围环境也产生影行性能产生影响；同时，列车高速运行引起的气动现象对周围环境也产生影响，这就是响，这就是高速列车的空气动力学高速列车的空气动力学问题。问题。高速动车组外形设计的基本要求分三个方面，即要满足高速动车组外形设计的基本要求分三个方面，即要满足:空气阻力的要求空气阻力的要求 压力波动的要求压力波动的要求 噪声方面的要求噪声方面的要求 (1)阻力系数阻力系数 一些高速铁路发展比较早的国家，通过试验研究和理论计算，明确提出了各自的列车阻力系数指标。在“德国联邦

23、铁路城间特快列车ICE技术任务书”中规定：列车前端的驱动头车空气阻力系数C0.17；列车末端的驱动头车空气阻力系数C0.19。(2)头型系数（长细比）头型系数（长细比）长细比，即车头前端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比。头、尾车阻力系数与流线化头部长细比直接有关，高速列车头部的长细比一般要求达到3左右或者更大，如图所示：CRH5CRH5动车组原型车动车组原型车SM3SM3外型效果外型效果图图 CRH2CRH2动车组原型车动车组原型车E2E210001000外型图外型图 动车组车身横断面形状设计有以下特点：动车组车身横断面形状设计有以下特点：1.整个车身断面呈鼓形，即车顶为圆弧形，侧墙整个

24、车身断面呈鼓形，即车顶为圆弧形，侧墙下部向内倾斜（下部向内倾斜（5o左右）并以圆弧过渡到底架，侧左右）并以圆弧过渡到底架，侧墙上部向内倾斜（墙上部向内倾斜（3o左右）并以圆弧过渡到车顶。左右）并以圆弧过渡到车顶。下图为德国下图为德国ICE动车组车身断面形状。这不仅能减小动车组车身断面形状。这不仅能减小空气阻力，而且有利于缓解列车交会压力波及横向阻空气阻力，而且有利于缓解列车交会压力波及横向阻力、侧滚力矩的作用。力、侧滚力矩的作用。2.裙板车辆底部形状对空气阻力的影响很大，为了避裙板车辆底部形状对空气阻力的影响很大，为了避免地板下部设备的外露，采用与车身横断面形状相吻免地板下部设备的外露，采用与

25、车身横断面形状相吻合的裙板遮住车下设备，以减少空气阻力，也可防止合的裙板遮住车下设备，以减少空气阻力，也可防止高速运行带来的沙石击打车下设备。高速运行带来的沙石击打车下设备。3.车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如侧门采用车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如侧门采用塞拉式；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式，使侧面关塞拉式；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式，使侧面关闭时可以包住它。闭时可以包住它。4.两车辆连接处采用橡胶大风挡，与车身保持平齐，两车辆连接处采用橡胶大风挡，与车身保持平齐，避免形成空气涡流。避免形成空气涡流。车体断面比较车体断面比较ICE动车组车身断面形状动车组车身断面形状在车体设计中必须

26、考虑以下几个方面的要求。在车体设计中必须考虑以下几个方面的要求。(1)车体强度：车体强度：为保证车辆在运行中有足够的强度，必须能承受一定的载荷工况，以符合车辆的强度设计规范。需校核车体结构的强度和刚度，同时要进行结构疲劳设计。(2)车体刚度：车体刚度：这主要是控制车体的垂向位移和扭转角位移。(3)车体自振频率：车体自振频率：这与车辆运行品质和安全密切相关，因此，规范中对车体第一阶垂向弯曲模态有一定的限制。(4)车体的耐碰撞安全防护：车体的耐碰撞安全防护：即要求设计一个更强的客室结构，同时在车体的非乘客区设置能量吸收区.以吸收撞击动能，保证乘客安全。(5)结构轻量化：结构轻量化：在保证安全和使用

27、寿命的前提下，尽量做到结构的轻量化.车体结构所古车辆自重的比例很大，因此设计时尤其应注意减轻其自重。工工 况况载荷种类载荷种类载荷的大小载荷的大小评价的标准值评价的标准值垂直载荷垂直载荷垂直载荷垂直载荷（车体重量最大乘客（车体重量最大乘客重量）重量）1.1 应力值不超过材料的弹性极限应力值不超过材料的弹性极限车端车端压缩载荷压缩载荷垂直载荷垂直载荷车体重量车体重量 应力值不超过材料的弹性极限应力值不超过材料的弹性极限车端压缩载荷车端压缩载荷980 kN扭转载荷扭转载荷扭转载荷扭转载荷39 kNm 应力值不超过材料的疲劳强度应力值不超过材料的疲劳强度三点支持三点支持垂直载荷垂直载荷车体重量车体重

28、量 应力值不超过材料的弹性极限。应力值不超过材料的弹性极限。JIS中，为中，为“不发生永久变形及塑不发生永久变形及塑性纵弯曲性纵弯曲”，左边是评价的大致，左边是评价的大致标准标准气密载荷气密载荷内压载荷内压载荷8.0 kPa（相当于压力变动范围）（相当于压力变动范围）针对针对8.0 kPa的一半（的一半（4.0 kPa）的应力值不超过材料的疲劳强度。的应力值不超过材料的疲劳强度。8.0 kPa是根据规格书的规定是根据规格书的规定弯曲振动弯曲振动固有频率固有频率 一次弯曲固有振动频率为一次弯曲固有振动频率为10 Hz以上。以上。10 Hz是根据规格书的规定是根据规格书的规定扭转振动扭转振动固有频

29、率固有频率 无无1.简述车辆设计任务书的内容简述车辆设计任务书的内容2.简述车辆设计的类型及内容。简述车辆设计的类型及内容。3.简述转向架总体设计的内容。简述转向架总体设计的内容。4.简述简述悬挂系统的基本参数。悬挂系统的基本参数。5.简述简述弹簧、弹簧、车轮车轮、车轴车轴和和构架设计的内容构架设计的内容及其及其CAD/CAE过程过程6.简述动车组外形设计的基本要求及头型设计的基本参数。简述动车组外形设计的基本要求及头型设计的基本参数。7.简述简述动车组动车组车体车体结构结构设计基本设计基本要求。要求。8.简述简述车体结构强度设计标准车体结构强度设计标准JIS E7105的内容。的内容。9.按相关标准完成车轮等车辆主要承载零件的按相关标准完成车轮等车辆主要承载零件的CAD/CAE设计。设计。