单轴和多轴疲劳准则下的车轮疲劳强度分析
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目前 ，我国尚未制定城市轨道车辆车轮 的国 家标 准 ，主要 采用 国际铁路 联 盟 组织 的 ＵＩＣ５１０— ５＿２ 和 欧洲 联盟 标准 ＢＳ ＥＮ１３９７９—１ ｌ３ Ｊ，两种 标准 基 本相 同 ，规定 了车 轮 静 强 度 和 疲 劳 强度 要 求 及 校核 方法 ，美 国 ＡＡＲ标 准 Ｓ ６６０—８３《机 车和 货 车 车轮设计分析评定办法》 通过 比较不 同车轮设 计 的应 力 分析 结 果 和 基 础数 据 ，来 对 车 轮进 行 评 定 ．这 一规 范仅 给 出 了车 轮 静 强 度 分析 及 评 定 标 准 ．李 树 林 、石 启 龙 等 利 用 ＵＩＣ５１０—５标 准 对 ＣＲＨ３型车 轮 进 行 疲 劳强 度 分 析 ，计 算 ３种 工 况 下车 轮各 评估 点 的 平 均应 力 值 和应 力 幅 值 ，应 用 Ｇｏｏｄｍａｎ曲线 进行 疲 劳 强度 分 析 ，利 用 有 限元 名 义应力 法 和 ＡＮＳＹＳ／ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ得 出车 轮疲 劳 寿命 预测 图和 安全 系数 图对 车 轮进行 疲 劳寿命 分
爿÷ 收 稿 日期 ：２２０８７０２）；辽宁省高等学校优秀人才支持计划 （ＬＪＱ２０１３０５２） 作者简介 ：王悦东 （１９７７一），男 ，副教授 ，博士 ，主要从 事车辆结构分析与现代设计方法 的研究
Ｅ·ｍａｌｌ：ｗｙｄｓｔａｒ＠ １６３．ｅｏｍ．
４８
大 连 交 通 大 学 学 报
第 ３７卷
向应 力状 态转 换 为单 向应力 状态 ． 首 先 确定 车 轮 在 不 同载 荷 工 况 作 用 下 的 主
应 力值 和 方 向 ，将 所 有 载 荷 工 况 作 用 下 的 最 大 主 应 力方 向确 定 为 基 本 应 力 分 布 方 向 ，其 值 为 计算最大主应力 ，计算其 与结构基准 （节 点位置 与车 轮 轴 线 组 成 的 平 面 ）的 夹 角 ，如 图 １（ａ）所 示 ；将 在 其 它 载 荷 工 况 作 用 下 的 主 应 力 投 影 到 最 大 主应 力 方 向 上 ，其 投 影 值 最 小 的应 力 值 确 定 为 最 小 主 应 力 ，如 图 １（ｂ）所 示 ．由该 位 置 的 最 大 和 最 小 主 应 力 值 计 算 平 均 应 力 和 应 力 幅 ， 如 下 式 所示 ．然 后用 Ｈａｉｇｈ形 式 的 Ｇｏｏｄｍａｎ疲 劳 曲线 评 定 车 轮 的疲 劳强 度 ．
第 ３７卷 第 ２期 ２０１６年 ４月
大 连 交 通 大 学 学 报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬＩＡＮ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
文 章 编 号 ：１６７３－９５９０（２０１６）０２—００４７—０６
Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１６
单 轴 和 多轴 疲劳 准则 下 的车 轮 疲 劳 强 度 分 析
王 悦 东 ，盛 杰 琼
（大连交通大 学 交通运输工程 学院，２－７ 大连 １１６０２８）采
摘 要 ：为 了分析城 际动 车组 车轮的疲劳强度 ，首 先建立城 际动 车组车 轮的有 限元模 型 ，依据 国际铁 路 联盟 的 ＵＩＣ５１０—５标 准以及欧洲的 ＥＮ标准模拟车轮在直线 、曲线和道岔工况下 的应力 ；并 依据车轮 的 单轴疲 劳准则 Ｈａｉｇｈ形式 的 Ｇｏｏｄｍａｎ曲线 图分析评估 城际动 车组车轮 的疲 劳强 度 ，以及利用 多轴疲 劳 准则 Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ曲线来评估 辐板孔的疲劳强 度．结果表 明 ，城际动 车组车 轮能满 足静强度 和疲 劳强度 性 能要求 ．疲劳强度 的薄弱部位 是垂 直或者平行于车轮半 径的辐板 孔 的孔 边缘 中间位置 或 中间位置连 线 上 的点 ，以及辐板与轮毂过 渡部位 ． 关键 词 ：车轮 ；辐板 孔 ；有 限元 ；疲劳强度 ；疲劳准则 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
车轮 是保 证 列 车 运 行 安 全 的重 要 部 件 之 一 ， 其工况比较复杂 ，由于机车车辆通过 曲线 、道岔导 致车 轮 承载工 况 恶 劣 ，其 疲 劳 强 度 方 面 的 问题 日 益 凸显 ，车轮失 效 的主要 形 式是 疲劳 断裂 ．其 中车 轮辐 板孔 裂纹 问题 对 车轮 的疲 劳强 度有 很大 的影 响 ，因此 依据 国 际标 准 对 车 轮 进 行 强 度分 析 与评 估 具 有重 要 的意义 ¨Ｊ．
１ 单 轴 及 多轴 疲 劳 准 则
１．１ 单轴 疲 劳准则 有关 文献 指 出 ，结 构 产 生疲 劳 裂 纹 方 向与最
大 主应力 方 向相 互垂 直 ，因此 可 以假 设 车 轮 的疲 劳破 坏是 由最 大 主应 力方 向 的应 力 造 成 的．参 照 ＵＩＣ５１０—５和 ＢＳ ＥＮ １３９７９—１—２００３标准 ，将三
析 ．张澎 湃 、刘 金 朝 等 提 出 了修 正 的 Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ 疲劳 准则 ，确定 准 则 中应 力 张量 第 １应 力 不变 量 最 大值 的系数 ，以轴 对 称 车 轮 和非 轴 对 称 车 轮 为 研究对象 ，对主应力法和修正的 Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ疲劳准 则评 定 方 法 进 行 了 比 较 分 析 ．刘 旭 采 用 基 于 ＵＩＣ５１０—５标 准 中 的单 轴疲 劳 理论 的 车轮 疲 劳 强 度评 定准 则 和 Ｄａｎｇ—Ｖａｎ多 轴 高 周 疲 劳 评 定 准 则这 ２种 疲 劳评价 方法 对 同一车 轮进 行疲 劳强度 计算 ，并选取关键点进行应力分析 ，比较 ２种方法 的安 全度 和适 用范 围以及评 估 车轮 的疲劳 薄弱 部 位 ．本 文 以城 际动 车组 车轮 为 研究 对 象 ，运 用 Ｈｙ． ｐｅｒｍｅｓｈ软 件 对 车轮 进 行 建 模 ，基 于 ＡＮＳＹＳ软 件 对 车轮进 行有 限元 分 析 ，根据 ＵＩＣ５１０—５标准 中 单轴 疲劳 准 则 以及 Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ曲线 多 轴 疲 劳准 则 对 车轮强 度进 行疲 劳强 度分 析评 价．
爿÷ 收 稿 日期 ：２２０８７０２）；辽宁省高等学校优秀人才支持计划 （ＬＪＱ２０１３０５２） 作者简介 ：王悦东 （１９７７一），男 ，副教授 ，博士 ，主要从 事车辆结构分析与现代设计方法 的研究
Ｅ·ｍａｌｌ：ｗｙｄｓｔａｒ＠ １６３．ｅｏｍ．
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大 连 交 通 大 学 学 报
第 ３７卷
向应 力状 态转 换 为单 向应力 状态 ． 首 先 确定 车 轮 在 不 同载 荷 工 况 作 用 下 的 主
应 力值 和 方 向 ，将 所 有 载 荷 工 况 作 用 下 的 最 大 主 应 力方 向确 定 为 基 本 应 力 分 布 方 向 ，其 值 为 计算最大主应力 ，计算其 与结构基准 （节 点位置 与车 轮 轴 线 组 成 的 平 面 ）的 夹 角 ，如 图 １（ａ）所 示 ；将 在 其 它 载 荷 工 况 作 用 下 的 主 应 力 投 影 到 最 大 主应 力 方 向 上 ，其 投 影 值 最 小 的应 力 值 确 定 为 最 小 主 应 力 ，如 图 １（ｂ）所 示 ．由该 位 置 的 最 大 和 最 小 主 应 力 值 计 算 平 均 应 力 和 应 力 幅 ， 如 下 式 所示 ．然 后用 Ｈａｉｇｈ形 式 的 Ｇｏｏｄｍａｎ疲 劳 曲线 评 定 车 轮 的疲 劳强 度 ．
第 ３７卷 第 ２期 ２０１６年 ４月
大 连 交 通 大 学 学 报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬＩＡＮ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
文 章 编 号 ：１６７３－９５９０（２０１６）０２—００４７—０６
Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１６
单 轴 和 多轴 疲劳 准则 下 的车 轮 疲 劳 强 度 分 析
王 悦 东 ，盛 杰 琼
（大连交通大 学 交通运输工程 学院，２－７ 大连 １１６０２８）采
摘 要 ：为 了分析城 际动 车组 车轮的疲劳强度 ，首 先建立城 际动 车组车 轮的有 限元模 型 ，依据 国际铁 路 联盟 的 ＵＩＣ５１０—５标 准以及欧洲的 ＥＮ标准模拟车轮在直线 、曲线和道岔工况下 的应力 ；并 依据车轮 的 单轴疲 劳准则 Ｈａｉｇｈ形式 的 Ｇｏｏｄｍａｎ曲线 图分析评估 城际动 车组车轮 的疲 劳强 度 ，以及利用 多轴疲 劳 准则 Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ曲线来评估 辐板孔的疲劳强 度．结果表 明 ，城际动 车组车 轮能满 足静强度 和疲 劳强度 性 能要求 ．疲劳强度 的薄弱部位 是垂 直或者平行于车轮半 径的辐板 孔 的孔 边缘 中间位置 或 中间位置连 线 上 的点 ，以及辐板与轮毂过 渡部位 ． 关键 词 ：车轮 ；辐板 孔 ；有 限元 ；疲劳强度 ；疲劳准则 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
车轮 是保 证 列 车 运 行 安 全 的重 要 部 件 之 一 ， 其工况比较复杂 ，由于机车车辆通过 曲线 、道岔导 致车 轮 承载工 况 恶 劣 ，其 疲 劳 强 度 方 面 的 问题 日 益 凸显 ，车轮失 效 的主要 形 式是 疲劳 断裂 ．其 中车 轮辐 板孔 裂纹 问题 对 车轮 的疲 劳强 度有 很大 的影 响 ，因此 依据 国 际标 准 对 车 轮 进 行 强 度分 析 与评 估 具 有重 要 的意义 ¨Ｊ．
１ 单 轴 及 多轴 疲 劳 准 则
１．１ 单轴 疲 劳准则 有关 文献 指 出 ，结 构 产 生疲 劳 裂 纹 方 向与最
大 主应力 方 向相 互垂 直 ，因此 可 以假 设 车 轮 的疲 劳破 坏是 由最 大 主应 力方 向 的应 力 造 成 的．参 照 ＵＩＣ５１０—５和 ＢＳ ＥＮ １３９７９—１—２００３标准 ，将三
析 ．张澎 湃 、刘 金 朝 等 提 出 了修 正 的 Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ 疲劳 准则 ，确定 准 则 中应 力 张量 第 １应 力 不变 量 最 大值 的系数 ，以轴 对 称 车 轮 和非 轴 对 称 车 轮 为 研究对象 ，对主应力法和修正的 Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ疲劳准 则评 定 方 法 进 行 了 比 较 分 析 ．刘 旭 采 用 基 于 ＵＩＣ５１０—５标 准 中 的单 轴疲 劳 理论 的 车轮 疲 劳 强 度评 定准 则 和 Ｄａｎｇ—Ｖａｎ多 轴 高 周 疲 劳 评 定 准 则这 ２种 疲 劳评价 方法 对 同一车 轮进 行疲 劳强度 计算 ，并选取关键点进行应力分析 ，比较 ２种方法 的安 全度 和适 用范 围以及评 估 车轮 的疲劳 薄弱 部 位 ．本 文 以城 际动 车组 车轮 为 研究 对 象 ，运 用 Ｈｙ． ｐｅｒｍｅｓｈ软 件 对 车轮 进 行 建 模 ，基 于 ＡＮＳＹＳ软 件 对 车轮进 行有 限元 分 析 ，根据 ＵＩＣ５１０—５标准 中 单轴 疲劳 准 则 以及 Ｃｒｏｓｓｌａｎｄ曲线 多 轴 疲 劳准 则 对 车轮强 度进 行疲 劳强 度分 析评 价．