基于有限元法的摇枕疲劳强度分析
重载货车转向架摇枕有限元分析及结构优化(1)
文章编号:1008-7842(2008)05-0028-04重载货车转向架摇枕有限元分析及结构优化廖永亮,卜继玲,傅茂海(西南交通大学 机械工程学院,四川成都610031)摘 要 介绍国外重载运输的发展现状,总结出提高货车轴重是实现重载运输的有效途径。
运用大型通用有限元软件ANSY S对重载货车转向架摇枕进行了静强度分析,并对其进行结构优化使之满足AAR标准的使用要求。
关键词 重载运输;摇枕;强度;结构优化中图分类号:U2721331+17 文献标志码:A 从1978年第一届国际重载运输大会在澳大利亚柏斯城召开以来,铁路货物重载运输从提出概念到蓬勃发展经历了一个技术不断进步的过程,已被国际上公认为铁路货运的发展方向。
重载运输在美国、加拿大、澳大利亚、巴西、南非等一些国家得到了广泛的应用,以其高效率和高效益的独特优势给这些国家的铁路运输带来了巨大的经济效益。
美国铁路自发展重载运输以来,铁路货运占美国货运市场的份额直线上升,从1980年的35%增加到2000年的41%,车辆的平均载重增加了1511%,虽然运价已降至116美分/t・km,但运行成本还下降了60%,线路维修成本下降了42%,劳动生产率提高了2171倍,创造的年利润已达美国铁路历史上的最高水平(81亿美元)。
西澳大利亚的BHP重载铁路运输公司从1980年到2000年,由于开行重载列车,运输油耗下降43%,机车利用率提高36%,车轮、钢轨寿命提高3～5倍,劳动生产率提高5倍,达到6000万t・km/人年,居世界铁路之首位。
昆士兰铁路营业里程1万km(基本是窄轨1067mm), 2004～2005年货物发送量1176亿t,其中煤重载运量达111425亿t,每周开行1万t重载列车460列,年营业收入23亿澳元,税前利润1191亿澳元〔1〕。
增加列车编组数量和开发大轴重货车是提高列车质量、发展重载运输的两个重要技术措施。
采取增大轴重发展重载铁路运输已经得到世界上越来越多国家的重视。
基于实测载荷谱的转K6转向架摇枕的疲劳寿命仿真分析
( 3) 有限元分析结果 加载计算后得出各载荷工况下的应力分布如图 3 ~ 图 6 所示 ( 取一半模型 ) 。根据计算结果, 选出摇枕 在各载荷作用下应力较大的点 , 从而确定摇枕上疲劳 损伤量最大的前 5 个测点, 在图 3~ 图 6 中标出 , 并列 出各点在各工况下的应力值见表 2 ( 各点应力以受拉 为正 , 受压为负) 。
m
( 2)
式中 s 0 为无限寿命时的疲劳极限 ; m 为斜率参数 ; N
第2期
基于实 测载荷谱的转 K6 转向架摇枕的疲劳寿命仿真分析
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s 0 的方程。从物理意义上推断, 对于本文计算实例 B 级铸钢其 s 0 位于区间 [ 0,
e]
作用时, 造成临界部位疲劳损坏。这种情况下的疲劳 寿命在大多数情况下可近似为 疲劳寿命 = 5 计算结果 空车运行对摇枕产生的损伤极小 , 可以忽略不计。 重车运行情况决定着摇枕的疲劳寿命。因此, 重点分 析重车运行条件下摇枕的损伤和寿命。本文疲劳计算 依据 的摇枕载荷谱 是在 400 km 的 线路重车状态完 成 的, 实际运营中空重车的运行里程 约为 35∋65, 计算 所得的重车里程应当再乘以系数 65/ 100。按表 2 所列 节点及其应力 , 算出各点的疲劳损伤。其中旁承断面 突变处 ( 下弦板) 损伤量最大 , 为最危险部位 , 代表 了整个摇枕的寿命。由前面算出的 B 级铸钢材料在不 同疲劳降低系 数下的 S - N 曲线 ( 图 7) , 根据公 式 ( 4) 、 ( 5) 算出摇枕该部位在不同 k f 下的疲劳寿命 , 即整个摇枕的总寿命, 结果见图 8。计算结果表 明在
第 28 卷第 2 期 2008年4月 文章编号 : 1008- 7842 ( 2008) 02- 0023- 03
学生作业——货车摇枕的有限元分析
货车摇枕的有限元分析机制B09*班 *** ************摘要：通过分析摇枕的结构特点，选用ANSYS软件作为有限元分析工具，根据摇枕结构特征及载荷情况，按照与实际相符合的原则建立摇枕模型。
依据TB/T1335-1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》，对摇枕的主要载荷进行计算和工况分析。
由于摇枕结构复杂，需要用第四强度理论进行评价，即用当量应力对静强度进行了评定。
关键词：摇枕；有限元分析；载荷工况；强度计算1、概述伴随着国家经济的迅速发展，以及我国制造业的迅猛成长和运输车辆向高速、重载和轻量化方向的迅速发展，对于运输车辆的可靠性的要求也越来越高。
摇枕作为车辆转向架主要承载部件之一，在使用过程中承受着巨大的拉、压、冲击、弯曲等交变载荷作用，工况十分复杂恶劣。
其主要失效形式是疲劳破坏，摇枕的疲劳裂纹失效问题已成为影响货车发展的重要因素。
实践证明，目前采用传统强度设计方法的机车车辆结构，在使用中暴露出不少疲劳损伤方面的问题，虽然其成因较为复杂，但在设计阶段对关键结构部件的疲劳寿命预测研究不足却是重要的原因之一。
2、基于有限元分析的理论基础(1)材料的S N-曲线Ｓ－Ｎ曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。
如图２所示，纵坐标表示试样承受的应力幅σ，横坐标表示应力循环σ。
对钢铁材次数N，S N-曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是材料的疲劳极限e料，此“无限”的定义一般为710次应力循环。
疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计的主要依据。
图1 材料的S N-曲线m N Cσ= （1）式（1）中 ：σ ——— 应 力 幅 ；N ——— 达 到 疲 劳 破 坏 时 的 应 力 循 环 次 数 ； m C 、———材料数(2)疲劳载荷类型疲劳载荷一般有稳定循环变应力和非稳定性循环变应力２种。
稳定循环分为对称循环、脉动循环和非对称循环；非稳定性循环分为规律性非稳定循环和随机性的非稳定循环。
(完整版)疲劳分析的数值计算方法及ANSYS疲劳分析实例
第十四章疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。
这种现象称为疲劳破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。
金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。
随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。
近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。
疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。
金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。
但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。
据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。
因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。
疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。
这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。
因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。
一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。
有限元法进行疲劳分析
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5. 评估(Evaluation) 一般来说，我们可进行下列估算： ·事件损伤(Event Damage) ·事件损伤方向(Event Damage Direction) ·损伤累积(Accumulated Damage) ·事件寿命估算(Event Life Estimate)
6. 后处理(Post Processing) 疲劳分析的后处理与静力学的后处理完全一致，此处不再重复。
有限元法进行疲劳分析
一、有限元法疲劳分析的基本思路
用有限元法进行疲劳分析，其基本思路是：首先进行静或动强度分析，然后进入到后 处理器取出相关的应力应变结果，在后处理器中再定义载荷事件，循环材料特性，接着根 据所需要的疲劳准则对每一个载荷事件进行寿命计算，最后根据累计损伤理论判断是否开 始破坏。由于结构受力状态往往是一复杂的应力状态，而在实验中测 得的结构材料S-N曲 线又常是在简单应力状态下获得的，因此常用最小能量屈服准则或其它等效准则，将所研 究的疲劳点上的复杂应力用一个等效应力替代。对有限元法而言，这一过程很容易实现。 等效替代以后，即可参照原始材料的S-N曲线进行疲劳寿命评估。上述方法称之为应力-寿 命法或S-N法，该方法不严格区 分裂纹产生和裂纹扩展，而是给出结构发生突然失效前的 全寿命估计。当然，还可以采用更加现代化的局部应变法或初始裂纹法。因篇幅所限，因 此仅讨论S-N法，且针对车辆结构疲劳分析。
悬挂式单轨车辆摇枕强度分析
悬挂式单轨车辆摇枕强度分析戴鑫亮;王伯铭【摘要】在国内尚无有关悬挂式单轨转向架摇枕强度计算标准的情况下,结合EN 13749、UIC 515相关标准规定,以及悬挂式单轨转向架摇枕工作特点,分析出悬挂式单轨转向架摇枕的加载种类和加载条件,设计出模拟超常工况和运营工况的载荷组合.通过大型有限元计算软件ABAQUS对悬挂式单轨转向架摇枕进行了静强度分析计算,计算结果表明:摇枕承受应力最大位置为其内部加强筋与下底板焊接处.最后利用Goodman疲劳极限图对其进行疲劳判定.计算结果表明:悬挂式单轨车辆摇枕整体结构满足静强度以及疲劳强度要求.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2019(022)003【总页数】5页(P122-126)【关键词】悬挂式单轨;车辆;摇枕;强度分析【作者】戴鑫亮;王伯铭【作者单位】西南交通大学机械工程学院,610031,成都;西南交通大学机械工程学院,610031,成都【正文语种】中文【中图分类】U270.331+7;U232摇枕作为悬挂式单轨转向架的重要组成元件之一，是整个转向架的主要承载件。
其功能包括传递车体与转向架之间的横向力、纵向力和垂向力，提供二系悬挂元件的安装位置，以及限制车体与转向架的相对摆角等。
摇枕可靠性的高低对整车的安全性以及平稳性有较大影响。
目前，与悬挂式单轨相关的标准、规范尚未成型，本文以EN 13749、UIC 515标准为基础，结合悬挂式单轨转向架在实际运用过程中的特性，推演出悬挂式单轨转向架摇枕的载荷工况，用于其静强度以及疲劳强度的分析。
1 摇枕有限元模型建立摇枕整体结构主要由薄板与中心实体部分焊接而成，通过UG软件建立其三维模型(见图1)，将其几何外形导入Hypermesh软件中进行有限元前处理。
在建立摇枕有限元模型时采用2D壳单元对摇枕薄板进行划分，对于摇枕中部实体部分采用3D实体单元进行网格划分。
整个有限元模型(见图2)共使用S4R单元171 061个，C3D4单元142 632个，Beam单元32个。
货车转向架摇枕有限元计算及试验对比分析研究
图 ２ 等 效 简 支 约 束
Ｚ
≥
Ｙ
１
为 了保 证其 强度 ， 关键 尺寸往 往按 上公 差取值 ， 摇枕 使 的实 际重量 大于名 义 重量 ， 成应 力计 算结果 偏 大 。 造 ２ ２ 边界 条件 ． 试 验加 载时 ， 用 的顶 头 刚度 较 大 。试 验 中垂 向 使
向架 承受 的总载 荷 ， 其值 为 转 向架轴 重 与 轴 数 的乘 积
减 去 转 向架 自重 ） 应 力 计 算 结 果 与 试 验 结 果 对 比见 表 ，
２ 。应 力计 算时有 限元 模型按 照工 作 图建立 ， 验 时应 试
力 测 点 位 置 见 图 １ 试 验 数 据 取 试 件 对 称 面 数 据 的 平 ， 均值 。
试 验 研 究
文 章 编 号 ：０ ２ ７ ０ （ ０ ２ ０ — ０ ００ １ ０ — ６ ２ ２ １ ） ７ ０ １ —３
铁道车 第５ 卷第７ ０２ 辆 Ｏ 期２１ 年７ 月
货 车 转 向 架 摇 枕 有 限 元 计 算
及 试 验 对 比 分 析 研 究
沈京哲 ， 张 馨 ， 国海 范
ＭＰ ａ
设 计 阶段主要 依靠 有 限元 方 法 对 结 构进 行 强 度 、 度 刚 计算 ， 当图样 转化 为实物 后 ， 需通过 试验 方式 对实 物 还 的 强度及 刚度 进行 评 价 。在 理 想 情况 下 ， 限元 计算 有 结果 与 实物试 验结 果是 一致 的 ， 但在 实 际工作 中发 现 ， 有 限元计 算 结果 与试验 结果 存在一 定 的差异 。这些 差 异 的产 生既有 制造 工 艺 和材 料 性 能 的原 因 ， 有 有 限 也 元 分析 手段 和试验 数据 处理 方法 的原 因 。只有 使有 限 元 分析 和试 验相互 促进 、 相互 验证 ， 能充分利 用各 自 才 的资源 ， 高 分 析 模 型 的 准 确 性 ， 成 有 限 元 分 析 规 提 形 范， 以更 好地 发挥仿 真 分析对 设计 的校 核和指 导作 用 。
基于有限元的疲劳分析方法及实践
基于有限元的疲劳分析方法及实践基于有限元的疲劳分析方法及实践疲劳是物体在循环荷载作用下发生的连续循环应力引起的损伤和破坏过程，对于工程结构的安全可靠性至关重要。
为了预测和评估结构在长期使用中的疲劳寿命，我们需要进行疲劳分析。
有限元方法是一种广泛应用的用于疲劳分析的数值模拟方法，它能够预测结构在不同应力循环下的寿命和破坏。
有限元方法基于结构的离散化，通过将结构划分为多个小单元来近似描述结构的力学行为。
在疲劳分析中，有限元方法可以应用于确定结构在复杂载荷历程下的应力和应变分布，并进一步评估结构的寿命。
下面将介绍有限元疲劳分析的基本步骤和实践经验。
首先，进行有限元模型建立。
有限元模型是指根据结构的几何形状和物性参数，以及实际工作条件建立的数值模型。
通过使用计算机辅助设计软件，我们可以将结构的几何形状进行精确建模，并定义结构中的材料参数和加载条件。
其次，确定结构的应力循环历程。
在实际工作中，结构往往会受到多种复杂的载荷作用，在疲劳分析中需要对这些载荷进行定量描述。
一般情况下，我们可以通过实验测量或者数值模拟来获取结构在不同工况下的应力循环历程。
接下来，进行疲劳寿命预测。
通过有限元分析软件，可以计算出结构在不同应力循环下的应力和应变分布。
利用经验公式或者材料的疲劳性能曲线，可以计算出结构在不同应力循环下的疲劳寿命。
疲劳寿命预测是疲劳分析的核心内容，它可以帮助工程师判断结构的安全性，进而进行优化设计。
最后，进行疲劳寿命验证。
在疲劳寿命预测的基础上，需要通过一定的实验验证来确定与有限元分析结果的一致性。
疲劳试验可以使用转子转速、台阶加载或实际工况加载等方法进行，通过实验可以验证有限元模型的准确性和可靠性。
对于疲劳分析的实践经验，有以下几点需要注意：1.准确建立有限元模型。
有限元模型的准确性关系到疲劳分析结果的可靠性。
在建模过程中，需要仔细考虑结构的几何形状、边界条件和材料参数等因素，确保模型与实际工程结构相匹配。
有限元法进行疲劳分析
展望
01
随着计算机技术和数值分析方法的不断发展，有限元法在疲劳分析中 的应用将更加广泛和深入。
02
未来疲劳分析的研究将更加注重实验验证和理论建模的结合，以提高 预测精度和可靠性。
03
针对复杂结构和材料的疲劳性能研究将进一步加强，以适应各种工程 应用的需求。
04
疲劳分析将与优化设计、可靠性分析和损伤容限设计等相结合，为产 品的全寿命周期管理提供支持。
有限元法进行疲劳分析
目录
• 引言 • 有限元法基础 • 疲劳分析基础 • 基于有限元法的疲劳分析 • 有限元法进行疲劳分析的案例 • 结论与展望
01 引言
疲劳分析的重要性
01
疲劳分析是产品寿命预测的关键 环节，有助于提前发现潜在的疲 劳断裂风险，避免产品在服役过 程中发生意外断裂。
02
通过疲劳分析，可以优化产品设 计，提高产品的可靠性和安全性 ，降低产品全寿命周期成本。
02 有限元法基础
有限元法简介
有限元法是一种数值分析方法， 用于解决各种复杂的工程问题， 如结构分析、热传导、流体动力
学等。
它通过将连续的物理系统离散化 为有限个小的单元，并对这些单 元进行分析，从而实现对整个系
统的近似求解。
有限元法广泛应用于工程设计、 产品开发和科学研究等领域。
有限元法的基本原理
结构应力分析
通过有限元法计算结构的应力分布。
疲劳裂纹扩展模拟
引入裂纹扩展模型，模拟裂纹在结构中的扩 展过程。
应力集中区域识别
找出结构中的应力集中区域，这些区域往往 是疲劳裂纹萌生的地方。
结构疲劳寿命评估
结合材料的疲劳性能参数和裂纹扩展规律， 评估结构的疲劳寿命。
05 有限元法进行疲劳分析的 案例
基于有限元法的机械零部件疲劳寿命预测
基于有限元法的机械零部件疲劳寿命预测随着机械工业的快速发展，机械零部件的质量和寿命成为了制造业中的重要问题。
疲劳寿命是机械零部件能够经受多少次加载循环而不发生破坏的能力，因此对于机械设计和工程分析来说，疲劳寿命预测至关重要。
为了准确预测机械零部件的疲劳寿命，工程师们常常使用有限元法。
有限元法是一种基于数值计算的工程分析方法，通过将结构分割成小的有限元单元，利用单元边界上的位移和力的关系来求解整个结构的应力和变形。
在疲劳分析中，有限元法能够考虑到复杂的载荷作用、材料非线性和结构几何非线性等方面的影响，因此被广泛应用于机械零部件的寿命预测。
首先，疲劳寿命预测需要建立合适的有限元模型。
模型的准确性和精度直接影响到预测的结果。
在建立模型时，需要将机械零部件的几何形状、材料性质和加载条件等因素考虑进去，并进行合理的简化和理想化。
同时，还需要选取合适的网格划分和单元类型，以确保模型的数值计算稳定和精确。
其次，疲劳寿命预测需要确定适当的疲劳损伤准则。
疲劳损伤准则描述了当应力历程超过材料疲劳极限时所产生的损伤情况。
常见的疲劳损伤准则包括极值法、线性累积法和稳态强度法等。
其中，极值法是一种简化的方法，假设疲劳寿命与最大应力的幂律关系，但对于不同的材料和零部件来说，这种假设并不总是准确的。
因此，选择适当的疲劳损伤准则十分重要。
然后，疲劳寿命预测需要获取真实的加载历程。
实际工作条件下的零部件往往会受到多种复杂的加载作用，如振动、冲击和变温等。
因此，在预测中需要获取到真实的加载历程，并将其作为输入数据来模拟零部件在实际工作中的疲劳行为。
可以通过传感器和数据采集系统来获取实验数据，或利用计算机辅助工程软件来模拟真实的工作环境。
最后，疲劳寿命预测需要进行合理的结果分析和验证。
通过对预测结果的分析和比对，可以评估模型的准确性和可信度。
与实验结果进行对比可以发现潜在的差异和偏差，并进行模型修正和调整。
此外，还可以通过实验验证的方法来进一步验证模型的可靠性和适用性。
基于有限元的疲劳分析方法理论研究
基于有限元的疲劳分析方法理论研究邹建胜【摘要】本文通过对传统的应力严重系数法(SSF法)和疲劳额定系数法(DFR法)进行研究,借助理论分析,将数值模拟分析得到的局部应力与DFR法中的远场应力等效,并最终形成了一套可用于疲劳分析的基于有限元的DFR修正方法.【期刊名称】《科技视界》【年(卷),期】2018(000)009【总页数】2页(P126-127)【关键词】应力严重系数法;疲劳额定系数法;疲劳;有限元【作者】邹建胜【作者单位】上海飞机设计研究院,中国上海 201210【正文语种】中文【中图分类】TU6620 前言金属结构的抗疲劳设计方法有很多种，包括传统名义应力法、应力严重系数法及疲劳额定系数法（DFR法）等，其中DFR法被广泛应用于民机结构件分析，其主要针对民机结构典型连接形式，而实际制造过程中出现的制造偏离，会对DFR法所描述的典型连接形式的DFR估计值产生影响，如疲劳细节危险部位的堵孔修理等。
一般传统的做法是进行试验研究，得出不同制造偏离对结构DFR值影响的修正系数，但是实际研究过程，制造偏离种类繁多，若通过完整的试验研究获取DFR修正结论，试验费用较高。
因此非常有必要开展理论研究，先期预测试验趋势，降低试验成本。
目前，国内对于民机DFR法的理论及试验研究较多，但是结合数值仿真结论进行研究的相对较少。
本文借助应力严重系数法和疲劳额定系数法的理论推导，研究基于有限元的疲劳工程分析方法。
1 DFR法和SSF法的定义1.1 DFR法定义疲劳额定系数法DFR法的定义为（1）疲劳寿命服从双参数 Weibull分布；（2）N=104～106范围内，当平均应力为常数的时候S-N曲线在双对数坐标中为直线；（3）指定N值对应的等寿命曲线为直线，即有式中σa0为σm=0（应力比 R=-1）对应的应力幅值σa；σm0为等寿命曲线与横坐标轴交点的横坐标，并假定其为材料常数。
1.2 SSF法定义应力严重系数SSF的定义为式中，α为孔表面状态系数，β为孔填充系数，Ktz为应力集中系数，为疲劳细节部位紧固件孔边沿轴向的最大应力，σck为参考应力，即取截面的毛面积应力。
21t轴重米轨转向架摇枕疲劳强度分析
（ ｓ ａｃ ａ ｅ ｙｏ ｉａ ｉＴｒｆｉ Ｅｑ ｉｍｅ ｔＣｏ，Ｌｔ ． ｉａ ５ ０ ２ Ｃｈｎ ） Ｒｅ ｅ ｒｈ Ａ ， ｉａ ｃ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｈ ｏ ｅ ｉａ ｏ ｎ ａ ｉｎ ｏ ａ ｉ ｕ ｎ ｌ ｓｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ａ ｕ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ａ ｉ ｕ ｔｅ ｇ ｈ ａ ｅ ｓｒ ｃ ： ｅ ｔ ｅ ｒ ｔｃ ｌｆ ｕ ｄ ｔ ｆｆ ｔ ｅ ａ ａ ｙ ｉ ｎ ｈ ｖ ｌ ａ ｉ ｔ ｏ ｆｆ ｔ ｅ ｓ ｒ ｎ ｔ ｒ ｏ ｇ ｏ ｇ
况 十分 恶劣 。其 主要 失 效形 式 是 疲 劳破 坏 ， 枕 的 疲 摇 劳 裂纹 失效 问题 已成为 影 响货车发 展 的重要 因素 。实 践证 明 ， 目前 采用传 统强 度设 计方 法 的机 车车 辆结构 ，
其 中名义应 力法 作 为一 种 常 规有 效 的寿 命估 算 方 法 ，
ａ ｌ ｏ ｄ ｏ ｔ ｉ ｓ ｔ ｕ ｘ ｅ ｌ ａ ｆ ２ ｓ ｅ ｐ，ｔ ｅ ｆ ｔ ｕ ｔ ｅ ｇ ｈ ｅ ａｕ ｔ ｎ ｏ ｔ ｉ ｍａ ｅ ａ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ ＡＡＲ ｓａ ｄ ｒ ｏ ｄ １ ｈ ａｉ ｅｓｒ ｎ ｔ ｖ ｌａｉ ｆ ｉ ｓ ｇ ｏ ｄ ， ｎ ｔ ｈ ｔ ｎ ａ ｄ ｌａ
关 键 词 ： 轨 转 向架 ； 枕 ；疲 劳 强度 米 摇 中 图 分 类 号 ： ７． ３ Ｕ２ Ｏ ３ １ 文 献 标 识 码 ： Ｂ
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｈ ｔｇ ｅ Ｓ ｒ ｎｇ ｈ ｏ ｈｅ Ｂｏ ｓ ｅ ｓ ｆ ｒ ａ ｙ ｉ ｆｔ ｅ Ｆａ ｉ ｕ ｔ ｅ ｔ ｆ ｔ ｌ ｔ ｒ ｏ Ｍ ｅ ｅ － ｕ ｅ Ｂｏ ｉ ｓ ｗｉｈ ｔ ｅ Ａｘ ｅ Ｌｏ ｄ ｏ ｔ ｔ ｒ Ｇａ ｇ ｇ ｅ ｔ ｈ ｌ ａ ｆ ２１
基于有限元法的结构强度与可靠性分析方法
基于有限元法的结构强度与可靠性分析方法随着科技的不断进步，工业领域的发展也呈现出飞速的增长。
在这个大背景之下，机械行业具有了更加广泛而深刻的应用场景。
对于机械制造这个复杂的领域来说，结构强度与可靠性的分析是至关重要的。
而有限元法（FEA）作为一种广泛应用于设计和分析过程中的计算方法，已经成为了无法替代的利器。
因此，本文将对基于有限元法的结构强度与可靠性分析方法进行探讨。
一、有限元法简介有限元法是一种数值分析方法，通过将复杂的结构体划分成一个个小的、简单的有限元单元来近似代表整个结构。
通过对单元依次进行分析，得出整个结构的力学性能。
由于该方法能够充分考虑结构体的边界条件和各种复杂的加载条件，因此在工程设计和结构分析中得到了广泛的应用。
二、有限元法在结构强度分析中的应用1. 建立有限元模型要使用有限元法来进行结构强度分析，首先需要建立一个有限元模型。
这一过程包括将结构分割成多个小单元、设置边界条件和施加外部荷载等步骤。
随着计算机技术的不断发展，建立有限元模型的难度已经不再是问题。
2. 分析结构的应力状态有限元法的一个主要功能是分析结构的应力状态。
一旦有限元模型建立完成，使用数值计算技术就能够实现结构的应力状态的分析。
在该过程中，有限元软件将针对每个节点计算出相应的应力信息。
这些信息可以用来分析结构的强度，并且找出潜在的弱点，从而及时进行优化。
3. 评估结构的疲劳性能除了分析结构的静态强度之外，有限元法还可以用于评估结构的疲劳性能。
在这种情况下，有限元模型需要包括结构的疲劳参数，例如应力集中因素和裂纹的特性。
然后，有限元法可以用来计算出结构的寿命，并进行相关的疲劳分析。
三、有限元法在结构可靠性分析中的应用除了在结构强度分析中广泛使用之外，有限元法在结构可靠性分析中的应用也越来越被重视。
通常，为了使结构达到所需的可靠性要求，需要进行可靠性评估并分析潜在问题。
在这种情况下，有限元法可以作为一个强有力的工具，以发现可能导致故障或失效的原因。
熄焦车转向架摇枕有限元分析及结构优化
熄焦车转向架摇枕有限元分析及结构优化摘要：以某新型熄焦车转向架摇枕为研究对象，首先，建立摇枕的有限元模型，利用ANSYS有限元分析软件，对其进行静强度分析，获得摇枕的应力分布及变形情况，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准，校核其刚度和强度是否满足设计要求。
然后，对其进行结构优化设计，在满足设计要求的基础上使结构轻量化，从而为摇枕进一步的结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。
关键词：转向架；摇枕；有限元分析；结构优化引言本文以某新型熄焦车转向架摇枕为研究对象，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准，校核其刚度和强度是否满足设计要求。
然后，对其进行结构拓扑优化设计，在满足设计要求的基础上达到结构轻量化的目的，从而为摇枕进一步的结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。
1.摇枕的基本结构本文所研究的熄焦车转向架摇枕应用在轴重为46t，自重为8t的转向架上，通过上、下心盘的配合支承着车体，车体的垂向载荷通过上下心盘、摇枕、摇枕弹簧传递到转向架侧架；车体的横向载荷通过上下心盘传递到摇枕，再通过摇枕挡传递到转向架侧架；车体的纵向载荷通过上下心盘传递到摇枕，再通过磨耗板和摇枕弹簧传递到转向架侧架上。
2.摇枕静强度分析计算2.1 有限元模型摇枕有限元模型如图1所示。
2.2 计算载荷工况本次有限元分析基于TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的静强度要求和TB/T1959-2006《铁道货车摇枕、侧架静载荷及疲劳试验》的刚度要求，并结合熄焦车实际运行状况，在静强度分析中，主要考虑垂向冲击载荷和摇枕自重。
垂向冲击载荷以均布力的形式施加在摇枕心盘处，约束施加在摇枕弹簧支撑底部。
2.3 静强度分析结果利用ANSYS有限元分析软件对摇枕进行静强度分析。
结果显示，摇枕上盖板中央截面相对于两侧的最大垂向位移为 4.1mm，小于允许最大垂向位移5.2mm，满足垂向弯曲刚度设计要求，垂向位移如图2所示；摇枕在计算载荷工况下的最大V on Mises等效应力为183MPa，发生在摇枕下心盘中心位置附近，小于许用应力230MPa，V on Mises等效应力分布如图3所示。
基于有限元法的结构强度与疲劳分析
基于有限元法的结构强度与疲劳分析结构强度和疲劳分析是工程设计中至关重要的一部分，它们可以帮助工程师评估和改善结构的性能和寿命。
而其中一种常用的方法就是有限元法，它是一种数值分析方法，通过划分结构为有限个小单元，再进行力学计算和疲劳估算。
有限元法的基本原理是将结构分割为离散的有限元素，然后根据材料特性、力学原理和数学公式来计算每个元素内的应力与应变。
这些元素之间通过节点相连接，形成整个结构的离散网络。
有限元法的优势在于它能够模拟真实结构的几何形状，并充分考虑材料的性能，从而提供精确的分析结果。
在结构强度分析中，有限元法可以帮助工程师评估结构在静载荷和动载荷下的承载能力。
首先，通过施加静态加载来模拟产生应力的力作用，然后根据结构的物理特性和材料的力学行为，计算应力场。
强度分析的目的是确定结构是否满足设计要求，包括最大应力、变形、稳定性等指标。
如果有任何不合格的结果，工程师可以通过修改结构几何形状或材料参数等方法来增加结构的强度。
除了强度分析，疲劳分析也是有限元法的重要应用之一。
疲劳是结构在循环加载下逐渐发展的损伤过程。
有限元法可以模拟长期疲劳加载下应力的迁移和积累。
在疲劳分析中，工程师需要估算结构上的应力历程，并使用S-N曲线来确定材料的疲劳性能。
通过分析疲劳寿命和裂纹扩展等指标，可以帮助工程师预测结构在实际使用中的损伤和失效情况，为设计提供参考，并采取适当的措施来提高结构的疲劳寿命。
然而，有限元法也存在一些局限性和挑战。
首先，有限元法是基于离散网格的方法，所以对于结构的几何形状、材料的非线性行为和动态响应往往会有一定的近似。
其次，有限元法需要大量的计算资源和时间，尤其是对于复杂的结构和加载条件。
此外，由于有限元方法是一种数值近似方法，它对模型的准确描述以及输入参数的合理选择都有一定的要求。
总体而言，基于有限元法的结构强度和疲劳分析是工程设计中不可或缺的工具。
它能够帮助工程师了解和评估结构的性能，并进行必要的改进。
基于Miner线性累积损伤理论的摇枕疲劳寿命分析
2018年第1期时代农机TIMES AGRICULTURAL MACHINERY第45卷第1期Vol.45No.12018年1月Jan.2018基于Miner 线性累积损伤理论的摇枕疲劳寿命分析夏祥春(,476600)摘要：以货车转K6型转向架摇枕为研究对象，根据美国AAR 机务标准中M-202-05“铸钢转向架摇枕设计和试验规范”，对摇枕进行疲劳强度分析，最后估算了摇枕的疲劳寿命。
摇枕强度的分析和寿命的估算为工程中摇枕的检修周期提供了科学的依据，保证了列车运营的安全性。
关键词：摇枕；线性损伤理论；疲劳寿命作者简介：夏祥春（1981-），男，河南永城人，硕士，讲师，主要研究方向：机械设计与制造。
摇枕是货车转向架三大件结构之一，是重要的承载部件，是车辆车体和转向架构架之间的连接装置，主要承受和传递垂向力、横向力和纵向力，转向架摇枕的疲劳强度问题直接关系到车辆正常运行的可靠性、安全性、经济性。
因此，对转向架摇枕进行疲劳强度评价及寿命计算具有很强的必要性。
1疲劳强度评定标准根据美国AAR 机务标准中M-202-05“铸钢转向架摇枕设计和试验规范”，对摇枕进行疲劳强度分析。
2摇枕的疲劳强度评定根据对摇枕的有限元分析确定摇枕疲劳薄弱部位发生在下表面中央、下表面漏砂孔、下表面端部拐角。
依据AAR 标准的脉动循环应力-寿命曲线和最大主应力考核准则求出各载荷工况下的损伤，进而利用Miner 线性累积损伤理论求得摇枕各疲劳薄弱部位的总损伤。
依据疲劳试验载荷下疲劳薄弱部位损伤计算结果可以对摇枕疲劳薄弱部位的大应力区的疲劳强度进行评价。
在正常铸造质量水平下，总的载荷循环数为100万次时摇枕各部位的疲劳累积损伤值均小于1，也就说明通过100万次的载荷循环后该摇枕没有发生疲劳破坏，符合强度标准。
3摇枕的疲劳寿命根据美国AAR 机务标准中90.7t 敞车重空车载荷谱的记录里程。
依据应力-寿命法，结合材料的S-N 曲线和Miner 线性累计损伤法则对摇枕的疲劳寿命进行估计。
160 kmh货车摇枕的有限元分析
文章编号：1003-1421(2010)09-00中图分类号：U270.1+2文献标识码：B160 km/h货车摇枕的有限元分析阮保荣（北京京北职业技术学院机电工程系，北京 1014100）摘要：通过分析速度为160 km/h货车转向架摇枕的结构特点，选用ANSYS软件作为有限元分析工具，根据摇枕结构特征及载荷情况，按照与实际相符合的原则建立摇枕模型。
依据TB/T1335-1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》，对该货车摇枕的主要载荷进行计算和工况分析。
由于摇枕结构复杂，需要用第四强度理论进行评价，即用当量应力对静强度进行了评定。
关键词：货车摇枕；有限元分析；载荷工况；强度计算铁路货车主要用于运送各种货物，转向架是铁路货车的关键部件[1-2]，其中摇枕是转向架的重要部件[3]。
摇枕的作用是将车体作用在下心盘上的力传递给支撑在其两端的枕簧上，另外还用于把转向架左右两侧架联系成一个整体，其可靠性能影响机车的走行品质和安全性，必须满足一定的强度要求。
随着计算机的普及和计算方法的发展，有限元法已成为摇枕强度分析的主要方法。
1 转向架摇枕的结构特点为适应摇枕中央部位受弯矩大、两端受弯矩较小的情况，摇枕中央的截面比两端大，使中央部位具有较大的截面模数，这种形式的摇枕称为鱼腹形摇枕[4]。
这种结构既能保证摇枕具有足够的强度，又可以节约材料和减轻自重。
以下分析的摇枕是速度为160 km/h的货车，结构为鱼腹型，实体模型如图1所示。
图1 摇枕实体模型图2 摇枕有限元模型选用ANSYS软件作为有限元分析工具。
为了保证计算精度，在建立有限元模型时，根据摇枕结构特征及载荷情况，按照与实际情况相符合的原则建立摇枕模型，取该摇枕的1/2结构进行网格划分[5]，摇枕沿纵向轴的一半有限元模型如图2所示，其共有102 595个单元，189 350个节点。
图2 摇枕有限元模型3 载荷计算及工况3.1 载荷计算计算的摇枕匹配的转向架为新型转向架，同时设计速度较高，载荷计算时以TB/T1335-1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》[6]为主要依据，同时考虑实际情况予以适当调整。
基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测
基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测疲劳是结构材料在长期受到重复载荷作用下产生破坏的一种现象。
疲劳问题在工程领域中具有重要意义，对于确保结构的可靠性和安全性至关重要。
而基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测是一种常用的方法。
一、有限元法的概述有限元法是一种在计算机上求解结构力学问题的数值方法。
它将复杂的结构离散为多个简单的单元，在每个单元内进行数值计算，并通过单元之间的边界条件传递信息。
在结构疲劳分析中，有限元法能够很好地模拟结构的实际工作状态和受力情况，从而评估结构在长期加载下的疲劳寿命。
二、结构疲劳的成因结构疲劳的成因可以归结为两个方面：载荷和材料。
首先，结构受到的载荷可以是静态的或动态的，也可以是周期性的或随机的。
不同类型的载荷都会对结构产生损伤，进而导致疲劳破坏。
其次，材料的特性也会对结构的疲劳性能产生重要影响。
材料的韧性、强度、硬化行为等都会影响结构的疲劳性能。
三、结构疲劳分析的步骤基于有限元法的结构疲劳分析主要包括以下几个步骤。
首先，确定结构的受力情况和载荷条件。
这些信息可以通过实验测试或工程经验来获取。
其次，建立结构的有限元模型。
在模型建立时，需要考虑结构的几何形状、材料性质以及边界条件等。
然后，进行疲劳分析计算。
通过有限元法求解结构的应力、应变分布，并结合材料的疲劳本构关系，计算结构在不同载荷作用下的疲劳寿命。
最后，评估结构的安全性。
根据计算得到的疲劳寿命，判断结构是否达到设计或使用要求，并进行寿命预测。
四、结构寿命预测方法结构寿命预测是基于有限元法的结构疲劳分析的关键环节。
目前，常用的结构寿命预测方法主要有两种：直接计数法和损伤累积法。
直接计数法是根据结构所受到的疲劳载荷和材料的疲劳寿命曲线，直接计算出结构的疲劳寿命。
而损伤累积法是将结构的疲劳破坏看作是材料的损伤积累。
通过计算结构的损伤积累程度，进而预测结构的寿命。
五、结构疲劳分析的应用基于有限元法的结构疲劳分析及寿命预测在工程领域中具有广泛的应用。
转向架摇枕强度的计算及结构优化
板 的 断面 均呈 ｕ形 ， 由整 体 钢 板折 弯 而 成 。摇 枕 的
材 料 采用 Ｑ ４ ３５一ｃ钢板 。
２ 转 向 架及 摇 枕 的 基 本 参 数
收 稿 日期 ：０ ５—０ ２０ ９—０ １
作 者 简 介 ： 建 东 （９ １ ， ， 东 龙 １ 人 ， 程 师 ，０５年 毕 业 于 姜 １７ 一） 男 山 ５ １ 工 ２０ 西 南 交 通 大 学 载 运 工 具 运 用 工 程 专 业 ， 学 硕 士 ， 从 事 转 向架 工 艺 工 现
示 。在 摇枕 的下 盖 板 中 央 设 置 牵 引 销 座 ， 其端 部 在 设 置 了旁 承支 承 。在摇 枕 的中 央盖板 的 上表 面端 部
设 置 钢 弹簧座 ， 以及 牵 引拉 杆 座 和 减 振 器 座 。在 摇 枕 的上 盖板设 置 横 向止挡 座 。摇枕 的下 盖 板和 上盖
１２ 摇 枕 基 本 结 构 ．
１一横 向 止 挡 座 ； 摇 枕 ； 弹 簧 安 装 座 ； ２一 ３一 ４一军 引 拉 杆 座 ； ５一 横
该转 向架 的摇 枕 为 整 体焊 接 结 构 ， 主要 由 １ 个 中央盖板 、 个 上盖板 和 １个下 盖 板 组 成 ， 图 １ １ 如 所
向减振器座 ； ６一钢 丝 绳 吊 座 。 图 １ 转 向架 摇 枕 结 构 图
开发工作 。
４
表 １ 出了纳米 比亚 的米轨 客 车转 向架及 摇 枕 列 的 基本 参数 。
维普资讯
转 向 架摇 枕 强 度 的 计 算 及 结 构 优 化
表 １ 转 向 架 及摇 枕 的 基 本 参数
座上。
５ 原 摇 枕 超 常垂 向 载 荷 工 况 的 计 算 结 果
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划分 ， 用 Ａ Ｙ 有 限元 分析软 件 ， 利 ＮＳ Ｓ 分别计算 了典型裁荷 工况 下的摇枕应 力分布 ， 而确 定 了 从 摇枕 的疲 劳薄弱部位 并
进 行 了局部优化 ， 据 Ａ Ｉ 准 ， 根 ＡＫ标 评价 了摇枕 的疲劳强度 ， 对摇枕进行 了寿命计算分析。 关键词 ： 摇枕 ； 劳强度 ； 劳薄弱部位 ； 疲 疲 寿命
（ 力 单 位 ： ａ） 应 ＭＰ
应力及疲劳损伤 （ ） ｍ， 计算结果 载荷工况 下表面 中央 下表面漏砂孔 下表面端部拐角 应 力 损伤 应 力 损伤 心 盘单独受载循环（ ） ０万次 Ｑ５ 单侧 旁承受载循环∞ ２ 万次 ５ １ ８ ００ ２ ３１ ０ ９ ９ ． ．５ ２ ． ４ ． Ｏ Ｏ０ ．１ ０ ０ ２ ． ０７ ｌ． ８７ ０ ０ 应力 ９． ９３ ｌ４２ ２． ５． ５９ ０ 搠伤 Ｏ Ｏ Ｏ
图 ２ 摇 枕 加 载 模 型 示 意 图
１ 摇 枕的疲 劳强度计算
１１ 单元 离散 化 ．
通 过 Ｓｌ ｒｓ ｏｄＷｏｋ 建立摇 枕 模 型 。把 建好 的模 型 ｉ 导入 Ｈ ｐｒ ｅ ｙｅ Ｍ ｓ ｈ软件划分 网格 ，有限元 的单元类型 选用四面体四节点单元 Ｓｌ 。根据摇枕模型的尺 ｏｄ ５ ｉ４ 寸 ， 合考虑计算量和准确性 ， 综 网格 划 分 时 ， 元 尺 单 寸取为 １ ｍ 。 ５ ｍ 离散后可得单元数为 ３ ９ 个 ， ５ ２ 节点 ７ 数为 １ ２个 。弹性 约束采用 Ｃｍ ｉｌ ， 中弹簧 ０９ ８ ｏ ｂｎ４ 其 元 的单 元 数为 ４ ０个 ， 图 １ 示 。 如 所
表 ３ Ａ Ｒ载荷谱下摇 枕的疲劳 寿命 Ａ
疲劳降低 系数 （ 母）
１５ ． ２０ ． ２５ ． ３Ｏ ．
枕 的疲 劳 寿命变 化逐 渐变 慢 。
总损伤值 （ 谱长 １ ． ｋ ７万 ｍ）
Ｏ０ １８ ８ ．０ ９ Ｏｏ ７ ２ ５ ．ｏ ８ Ｏ０ １３ ７ ．２ ６ Ｏ０ ０Ｏｌ ．６ ｌ
１ ７
Ｅ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ７， ０１ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆｃ ｒ ｇＴ ｃ ｎ ｌｇ ． ２ ｉ ２
图 ４为摇枕在单侧旁承受载下 的第一主应力 云 分析。疲劳试验载荷与评定考核标准为 １０万次载 ０ 图。 大应力值位置为摇枕的下表面端部拐角 ， 最 应力 荷循环的疲 劳累计损伤值小于 １下面为疲劳试验载 ， 值为 １６ ６ Ｐ ，摇枕在两侧旁承受载下的第一 主 荷 工况 ： ８． ａ ２Ｍ 应 力 云 图 ，最 大应 力 值 位置 为 摇 枕 的下表 面 端部 拐 （） １ 心盘单独受载循环不低于 ５ 万次 ； ０ 角， 应力值为 ８ ． Ｐ 。 ３ ２Ｍ ａ ９ （） ２ 单侧旁承受载循环不低于 ２ 万次 ； ５
主 ， 缩 平 均 应 力 作 用 时 ，一 曲线 上移 ， 压 ＪⅣ ｓ 同样 应 力 幅作 用 下 寿命增 大 ［ ２ １ 。应重 点考 虑摇 枕 的下表 面 。 本 文 通 过 有 限元 分 析 计 算 的结 果 找 到摇 枕 上 ３ 个 最 薄弱 的点 ， 别 为下 表 面 中央 部位 ， 表 面漏 砂 ３ 摇枕的寿命估算 分 下 孔 部位 ， 表 面端 部拐 角部 位 。 下
两侧 旁承受载循环（ － ） ５万次 ９ Ｚ Ｚ’ ２ ． ４ 累积 损伤 ∑（ ｌ ） ｎ 计算结果
００ ． ５
Ｏ ｍ
寿命要求 ， 那么整个摇枕就满足寿命要求 ， 因此 ， 该
根 据 美 国 Ａ Ｒ机 务 标 准 中 Ｍ一 ０— ５ “ 钢 转 部位的寿命就代表 了整个摇枕的疲劳寿命 。 Ａ ２２０ 铸 表３ 和图 ５ 为摇枕在不同疲劳 降低 系数下的疲 向架 摇 枕设 计 和 试验 规 范 ”１ 摇 枕进 行 疲 劳强 度 ［ ３ ，对
图 ４ 摇 枕 在 单 侧 旁 承 受 载 作 用 下 的 第 一 主应 力 图
情 况 下 ， 枕 的应 力 比较 大 ， 伤 也 不是 特别 大 ； 摇 损 在 高抗 疲劳 强度 ；
旁承均布受载的情况下 ， 摇枕的受力 比较小 ， 因此损 （） ４ 通过优化与其他构件 的配合情况 ， 来改变摇 伤也 不 明显 。 枕的边界条件和载荷状况 ； 此外 ， 枕 上表 面 以受压 为 主 ， 摇 下表 面 以受拉 为 （） ５ 通过加工硬化或热处理 ， 使下表面漏沙孑处 Ｌ
（） ３ 两侧旁承受载循环不低于 ２ 万次 。 ５
由表 １ 以看 出 ， 可 在正常铸造质量水平 下（ ＝ １ ）总的载荷循环 数为 １０万 次时 ， 枕各 部位 的疲 ．， ５ ０ 摇
劳累积损伤值均小于 Ｉ ，也就说明通过 １０ ０ 万次 的载 荷循环后 ， 该摇枕没有发生疲劳破坏 ， 符合强度标准。 ２４ 改进措 施 ．
中图分 类号 ： ２ ０３ Ｕ ７ ．３ 文献标识 码： Ａ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ （ ０ ２）７ ０ １ － ３ １７ —４ Ｘ ２ １ ０－ ０ ７ ０
从 ２ ０ 年开始 ，我 国铁路货 车运输全面提速 ， ０６ 而且载重能力也大 幅增加 ，因此对铁路列车安全性 的要求越来越高 。摇枕是货车转向架三大件结构之 是重要的承载部件 ， 是车辆车体和转 向架构架之 间的连接装置 ， 主要承受和传递交变的垂 向力 、 向 横 力 和 纵 向力 ， 转 向架 摇 枕 的疲 劳 强 度 ， 铁道 机 车 故 对 车辆运行 的安全性 、 可靠性和经济性至关重要 。 在 车辆 运 用 中 ， 枕 的运 营 工况 非 常 恶 劣 ， 摇 这样 会 导致 摇枕 萌 生裂纹 和裂 纹扩 展 ， 而线 路运 行 时 出现 的各 种 异 常情 况 ， 剧 了裂纹 的产 生 和扩 展 ， 终会 加 最 引起疲 劳破 坏 ， 会对 行车 安全构 成严 重威 胁 。 因此 ， 对 转 向架 摇枕 的疲 劳 问题进 行研究 具 有重要 意义 。
《 装备制造技术｝ｏ２ ２ １ 年第 ７ 期
基于有 限元法的摇枕疲劳 强度分析
夏祥春 １ Ｉ
（． １河南理工大学 机械与动力工程学院， 河南 焦作 ４４ ０ ；． ５ ００ ２永城职业学院， 河南 永城 ４ ６０ ） ７６ ０
摘 要： 以货车转 Ｋ ６型转 向架摇枕 为研 究对 象， 建立 了摇枕 的三维几何模 型 ， 用 ＨｙｅＭｅｈ软件对摇枕 进行 了网格 采 ｐｒ ｓ
１ ８
《 装备制造技术｝０ ２ ２ １ 年第 ７ 期
劳寿命 。
当疲劳降低系数较小 的时候 ， 摇枕 的寿命较大。随着 的增大 ， 摇枕疲劳寿命逐渐减小 。在 巧 ＝ ．— ． １ ２ ５ ０
注 ：疲劳降低系数 ＝１ ～ ．代表了铸造件 ． ２ ５ ０
随着 的降低 ， 的疲劳寿命 急剧下降 ； 摇枕 的正 常品质水平 ，该水平 的铸造缺 陷是最常见的缺 区段时 ， 在疲劳降低系数大于 ２ 时 ， ． ０ 随着 的继续增大 ， 摇 陷形 式 ［ ４ 】 。
产生残余压应力 ，残余压应力的引人会提高抗疲 劳
强度。
依据 Ａ Ｒ标准 的脉 动循 环应力 一寿命 曲线 和 Ａ 表 ２列 出 了美 国 Ａ Ｒ机 务 标准 中 ９ ．ｔ 车重 Ａ ０７ 敞 最大主应力考核准则 ， 求得各载荷工况下 的损伤 ， 再 空 车载荷 谱 的 记录里 程 。依 据美 国 Ａ Ｒ货 车疲 劳设 Ａ 利用 Ｍ ｎｒ ｉ 线性 累积损伤理论 ， ｅ 求得摇枕各疲劳薄弱 计标准 中的载荷谱 ， Ｂ 级铸钢在不同疲劳强度系 以 ＋ 部位 的总损伤 ， 计算结果及各薄弱点在各工况下 的 数下的 ｓＪ 曲线作为基本 ｓ Ⅳ曲线 ，结合有 限元分 —ｒ ７ 、 一 应 力值 如 表 １ 所示 。 析计算得到的摇枕疲劳薄弱部位 ， 最后利用 Ｍ ｎｒ ｉ 线 ｅ 性 累积损 伤 理论对摇 枕 的疲 劳寿命 进行 估 算 。 表 １ 疲 劳试验载 荷下疲劳薄 弱部位损伤计算结果
１ ． ７ Ｉ １３ ． １ １ ． ２ １ １２ ．
表 ２ 载 荷谱 记 录 里 程 （ 位 ： ｋ ） 单 万 ｍ
由表 １ 知 ，摇枕 疲 劳最 薄 弱 部 位在 下 表 面 的 可 漏 砂 孔处 ， 部位 损 伤最 严 重 ， 该 只要 该 部 位达 到 疲 劳
图 １ 摇枕离散 网格模型 图
１２ 载荷 工况 及 边界 条件 ．
在摇枕的实 际运行中，摇枕承受 的载荷较为复
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ５ ２ １— ４ ０
图 ３ 摇枕在心盘单独受载作用下的第一主应力云图
作者简 介 ： 夏祥春 （９ １ ） 男 ， １ ８一 ， 河南永城市人 ， 助教 ， 工程 硕士学位 ， 研究方 向为机械设计与制造。
其 中载荷 Ｐ等于转 向架轴重与轴数的乘 积减去 转向架 自重 ， 为一个转向架承受的垂向静载荷［ １ ］ 。 Ｐ＝ ２ （ Ｇ—ｕ） （ ×２ ０ ｇ＝ ２ ７０ ０—５０ ０ × ９８ ０ ） ． ４ ００ ０Ｎ ８ ０ （） １ 式 中， Ｇ为转 向架轴的净质量 ， ２ 为 ７； ｔ 日为转向架的 自身净质量 ， ５ ０ ｇ 为 ０ｋ 。 ０ １３ 有 限元应 力计 算 结果及 疲 劳强 度 评定 ． 利用 Ａ Ｓ Ｓ软件对摇枕进行有 限元静态分析 。 ＮＹ 图３ 为摇枕在心盘单独载荷作用下 的第一 主应力云 图。最大应力值位置为摇枕 的下表面 中央和漏砂孔 ， 应 力值 为 ２３１ ａ ２ ． ＭＰ 。 ４
小应 集中系数 ， 降低应力集中程度 ； （ ） 善下 表 面漏沙 孑处 的表面 粗糙 度 ， ２改 Ｌ 以降 低 分析上图可知 ， 心盘在单独受载的情况下 ， 应力 疲 劳强度 ； 最大 ， 对摇枕造成的损伤最严重 ； 在单侧旁承受载 的 （ ） 大部 件在 下表 面漏 沙孔 处 的厚 度 ， 而 提 ３增 进
由表 ３可 以看 出 ， 劳 降低 系数 为 ２ 疲 ． ， 到 ０时 得 即为 ２ ８万 ｋ ２ ｍ。当按照 规 范 中规 定 的空 车与 重车 的 薄弱部位（ 下表面漏砂孔处 ） 进行了寿命评估 ， 其寿命 运行里程 比 ０ ５ ． 计算 ，得到重车情况下摇枕的寿命 为 ７ ９ ６—２８万 ｋ ２ ｍ。如果 按 照重 车每 年运 行 １ ５万 ｋ ｍ