動車組車輛構(gòu)造與設(shè)計轉(zhuǎn)向架零部件和車體-cad-cae設(shè)計精簡

1、,蘭州交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)車車輛系商躍進(jìn),歡迎學(xué)習(xí)動車組車輛構(gòu)造與設(shè)計,第3節(jié) 轉(zhuǎn)向架零部件CAD-CAE設(shè)計,1、圓柱壓縮螺旋彈簧設(shè)計2、車軸設(shè)計3、車輪設(shè)計4、輪對設(shè)計5、制動零件設(shè)計6、焊接構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計7、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù),1、圓柱壓縮螺旋彈簧,（1）幾何參數(shù)（2）彈簧應(yīng)力分析（3）單卷彈簧設(shè)計公式（4）雙卷彈簧設(shè)計公式（5）彈簧現(xiàn)代設(shè)計,d—簧條直徑（mm） D—彈簧中徑，即螺旋線圓柱直徑n—彈簧的

2、有效圈數(shù)，即螺旋線的圈數(shù)H0—彈簧的自由高D2=D+d—彈簧外徑D1=D-d—彈簧內(nèi)徑α—彈簧的螺旋角，即螺旋線的升角t—簧條間距，即螺旋線的節(jié)距?—螺旋線的極角C—旋繞比，C=D/d,（1）幾何參數(shù),,基本參數(shù),（2）單卷彈簧傳統(tǒng)設(shè)計方法,EXCEL在CRH2軸箱彈簧分析中的應(yīng)用,（3）彈簧現(xiàn)代設(shè)計,A、彈簧CAD設(shè)計B、彈簧有限元分析C、彈簧優(yōu)化設(shè)計,A、彈簧CAD,1、幾何參數(shù)2、卷制工藝3、仿真設(shè)計4、

3、配置5、庫零件,卷制工藝,制造工藝過程: 修正下料→端部加熱→鍛尖→加熱→卷繞→淬火→回火→強(qiáng)化處理（噴丸、強(qiáng)壓、滲碳）→磨平端面→試驗或驗收。,熱卷大彈簧.flv,仿真設(shè)計,（1）一段變螺距螺旋線掃描法（2）三段等螺距螺旋線掃描法（3）三段直線掃描法（4）彈簧練習(xí),（1）一段變螺距螺旋線掃描法,彈簧是由簧條圓繞一條螺旋線旋轉(zhuǎn)而成的，故其造型過程為：先繪制螺旋線，再繪制簧條圓，然后利用掃描特征創(chuàng)建彈簧基體，最后利用拉伸切除特

4、征創(chuàng)建支撐圈。,,（2）三段等螺距螺旋線掃描法,（3）三段直線掃描法,先鋼絲后卷滾,（4）彈簧練習(xí),用多種方法進(jìn)行彈簧建模,配置,SolidWorks配置可以在單一的文件中對零件或裝配體生成多個設(shè)計變化，來開發(fā)與管理一組有著不同尺寸、零部件或其他參數(shù)的模型。在零件文件中，配置可以生成具有不同尺寸、特征和屬性的零件系列?？梢允謩由膳渲茫部梢允褂孟盗辛慵O(shè)計表同時建立多個配置。,右鍵單擊特征尺寸（彈簧高度）>配置尺寸>輸入

5、配置尺寸：安裝高度和對應(yīng)的靜載高值：,二次開發(fā),二次開發(fā)，簡單的說就是在現(xiàn)有的軟件上進(jìn)行定制修改，功能的擴(kuò)展，然后達(dá)到自己想要的功能，,Private Sub CmdClose_Click() EndEnd SubPrivate Sub CmdOK_Click() MDiameterValue = Val(TxtMD.Text) / 1000 '從文本框獲取新的中徑 TDiameterValue = V

6、al(TxtTd.Text) / 1000 '從文本框獲取新的簧條直徑 nValue = Val(Txtn.Text) '從文本框獲取新的有效圈數(shù) FmaxValue = Val(Txtfmax.Text) / 1000 '從文本框獲取新的最大撓度 Call ParameterSub(MDiameterValue, TDiameterValu

7、e, nValue, FmaxValue) '調(diào)用更新函數(shù)End Sub,B、彈簧CAE分析,彈簧CAE設(shè)計實例----轉(zhuǎn)K2彈簧有限元分析,（1）剛度（f=mm） （2）強(qiáng)度（f=47.2mm）,幾何非線性|大變形問題,C、彈簧優(yōu)化設(shè)計,（C）算例已知某機(jī)車彈簧的相關(guān)參數(shù)為：Pst=119.428kN， [fst]=106.0mm，H0=490mm。材料為60Si2CrVAT，許用應(yīng)力[τ]=

8、1050MPa[4]，疲勞許用應(yīng)力[τ-1]= 370MPa。取機(jī)車取彈簧裕度系數(shù)Kvd=0.5，動荷系數(shù)Kd=0.25[5]。“目標(biāo)函數(shù)”m文件“約束條件”m文件“優(yōu)化程序”m文件,（A）Matlab中的分析步驟 建立優(yōu)化模型并轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)格式。生成“優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)”m文件生成“優(yōu)化約束條件”m文件生成“優(yōu)化求解程序”m文件執(zhí)行求解程序。,（B）彈簧優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型,執(zhí)行：>> OPTProg結(jié)果：

9、x = 50.8034 220.9303 4.7975 fval = 6.8228e+004,2、車軸強(qiáng)度計算,（1）計算載荷（2）計算截面（3）計算方法,（1） 傳統(tǒng)計算方法,日本JIS E 4501鐵道車輛車軸強(qiáng)度設(shè)計方法和JIS E 4502鐵道車輛車軸品質(zhì)要求,,,車輛車軸設(shè)計(TBT 2705-96 ).xls,（2）車軸CAD/CAE分析,加工a、b、c、d、e、f、g面和各軸肩進(jìn)行加

10、工；,3、車輪的強(qiáng)度分析,1、車輪強(qiáng)度分析的內(nèi)容2、車輪強(qiáng)度分析載荷工況3、車輪強(qiáng)度評價方法4、車輪強(qiáng)度分析算例,（1）車輪CAD,（1）車輪建模順序（2）踏面作圖方法（3）踏面作圖步驟,車輪生產(chǎn)工藝,車輪一直由兩道工序加工完成, 即：先加工內(nèi)殼面、內(nèi)輻板、輪緣、內(nèi)輞面；然后翻身找正加工外殼面、外輻板、外輞面、踏面及孔 其中輪緣、踏面在喉部接刀。,輾制工藝,草圖盡量簡，特征需關(guān)聯(lián)，造型要仿真，別只顧眼前。,,,切右輻板

11、,鉆輪轂孔,選材料,切左輻板,鏇踏面,,車輪CAD設(shè)計,1-內(nèi)輞面 2-內(nèi)殼面 3-內(nèi)輻板 4-輪緣 5-喉部 6-踏面 7-外輞面 8-輪 輻 9-外輻板 10-外殼面,車輪建模順序,磨耗形踏面作圖方法,TB-T 449-2003 機(jī)車車輛車輪輪緣踏面外形,磨耗形踏面作圖步驟,庫特征,庫特征能將常用的特征用特定的格式保存起來，在需要用到的時候只要求一個拖放和簡單的定位即可完成特征的創(chuàng)建。庫特征的內(nèi)容還可以是草

12、圖，對于常用的復(fù)雜草圖和復(fù)雜特征更是能起到一勞永逸的效果。,（1）生成庫特征（2）使用庫特征（3）編輯庫特征,（1）生成庫特征,生成草圖,添加到庫,（2）使用庫特征,生成父特征,添加庫特征,生成子特征,（3）編輯庫特征,,（4）踏面庫特征,車輪建模練習(xí),（2）車輪CAE,（1）車輪強(qiáng)度分析載荷工況,根據(jù)UIC 510-5：2003（整體車輪技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車輪設(shè)計，對于安裝到動軸上的車輪，考慮車輪通過直線、曲線和道岔時的載荷。,除了上

13、述UIC 510-5規(guī)定的垂向和橫向載荷外，還應(yīng)考慮下表所示的載荷條件。,Q:每個車輪承擔(dān)的重量,車輪CAE,GB 8601-1988鐵路用輾鋼整體車輪-客車車輪,4、輪對分析,1、輪對壓裝2、輪對CAD3、輪對承載應(yīng)力4、輪對裝配應(yīng)力分析5、輪軌接觸應(yīng)力,（1）輪對壓裝,目前路內(nèi)大多數(shù)工廠采用以輪轂孔外端面定位壓裝車軸的輪對壓裝方法,,其工藝過程是:(1)輪軸套裝:用車軸專用尺劃出車軸的全長中心線,并在車軸兩端軸頸上套上防護(hù)

14、套;然后將選配好的車軸輪座表面和車輪輪轂孔內(nèi)清掃干凈,并均勻地涂抹純凈植物油;最后將兩個車輪分別套裝在車軸的兩端。,圖2　以輪轂孔外端面定位壓裝車軸,輪對壓裝過程,(2)定位:將套裝好的車輪車軸吊放到輪對壓裝專用的移動(旋轉(zhuǎn))小車上,啟動小車開關(guān),使輪轂孔的外端面靠緊壓力機(jī)的定位面即完成壓裝的定位。(3)壓裝:啟動壓力機(jī)進(jìn)行壓裝。通過專用對稱尺劃出的車軸全長中心線,壓裝到位后(操作者目測判斷),關(guān)機(jī)停壓(若在壓裝過程中發(fā)現(xiàn)壓力曲線不合

15、格則立即停壓),打開小車開關(guān),將小車復(fù)位。(4)調(diào)頭壓裝:將小車旋轉(zhuǎn)180°,再按同樣的過程壓裝另一側(cè)的車輪。(5)檢測:車輪壓裝完成后,用專用尺仔細(xì)測量L和任意3處的距離差,并檢查輪位差和壓裝力大小以及壓力曲線是否合格。(6)記錄:對壓裝合格的輪對,按照鐵輛[1998]2號文之附件5中的F5、2、7條的規(guī)定完成有關(guān)數(shù)據(jù)的記錄。對壓裝不合格的輪對,應(yīng)及時退卸并分析原因,妥善處理后重新壓裝。,TB-T 1718-2003

16、鐵道車輛輪對組裝技術(shù)條件,（2）輪對CAD,輪對壓裝位置要求,(1)輪對內(nèi)側(cè)距離L=(1 353±2) mm,且任意3處距離差不大于1 mm。當(dāng)內(nèi)側(cè)距離L不符合規(guī)定時,不得向外側(cè)調(diào)壓,但當(dāng)輪對內(nèi)側(cè)距離比規(guī)定的最小距離小1 mm以下時或因車輪輾制不均勻而致使任3處距離差超過規(guī)定時,可以通過旋削輪輞內(nèi)側(cè)面進(jìn)行調(diào)整。(2)輪對輪位差: L1-L2 ≤3 mm。,輪對裝配,（3）輪對承載應(yīng)力,（4）輪對裝配應(yīng)力分析,（1）理論計算

17、（2）CAE分析,理論計算,為保證運行過程中，車輪不會與車軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動或脫離，輪軸之間應(yīng)有足夠的接觸壓應(yīng)力。在標(biāo)準(zhǔn)EN13260:1998對輪對輪軸過盈量j有如下規(guī)定：a)采用收縮裝配:0.0009dm≤j≤ 0.0015dm;b)采用壓力裝配:0.0010dm≤j≤0.0015dm+0.06;其中:dm表示輪座位置軸的平均直徑，單位為mm。dm=194mm時，0.174mm ≤j≤ 0.291mm,式中H一輪對所受的

18、橫向力;M一輪對所受的扭矩;R-輪毅孔半徑;L為輪對裝配長度;f}為輪軸配合面摩擦系數(shù)。,接觸強(qiáng)度：,CAE分析,冷縮配合軸194.2mm孔194mm,（5）輪軌接觸應(yīng)力,（1）理論計算（2）CAE分析,理論計算,車輪與鋼軌之間的最大接觸壓力相當(dāng)大，甚至于超過了彈性極限，因此在接觸表面層產(chǎn)生塑性變形。 車輪與鋼軌的接觸是以兩個不同半徑構(gòu)成的曲面形成的，故這個接觸壓力按赫茲壓力的計算式。,CAE分析,5、制動零件設(shè)計

19、,1、制動性能計算2、制動熱機(jī)耦合計算載荷3、制動零件CAD/CAE設(shè)計實例4、踏面制動零件CAD/CAE設(shè)計演示,熱量載荷：制動過程中制動盤和閘片摩擦生熱，在盤體和盤轂上產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形。對流載荷： 制動過程中制動盤表面對空氣散熱。壓力載荷：盤體受到閘片的壓力。摩擦力載荷：盤體受到閘片的摩擦力。旋轉(zhuǎn)離心力：制動盤高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，導(dǎo)致盤轂產(chǎn)生變形和應(yīng)力。振動載荷：車輛運行時，由于輪軌作用導(dǎo)致盤轂受到振動載荷的作用。

20、壓裝載荷：盤轂和車軸的過盈配合使盤轂發(fā)生變形而產(chǎn)生應(yīng)力。,制動熱機(jī)耦合計算載荷,踏面制動車輪熱機(jī)耦合分析,對車輪熱負(fù)荷最不利的制動工況：緊急制動工況熱流密度分別為288.8 kW/m2拖曳制動工況熱流密度為175.6kW/m2。,溫度場結(jié)果 熱機(jī)耦合場結(jié)果,,6、焊接構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計,（一）構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計規(guī)范（二）構(gòu)架強(qiáng)度分析,1、構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計規(guī)范,UIC515/ UIC615規(guī)程 JISE4207“鐵道車輛

21、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計通用條件”,（1）UIC515/UIC615規(guī)程,,,,（2）JIS技術(shù)條件,,,,,,,2、構(gòu)架強(qiáng)度分析,,,1、構(gòu)架CAD2、構(gòu)架CAE,（1）構(gòu)架CAD,,,構(gòu)架加工工藝.MPG,構(gòu)架-new-a.avi,（2）構(gòu)架CAE,,,7 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù),一、車體外形設(shè)計二、車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計,一、車體外形設(shè)計,1、外形設(shè)計的基本要求2、頭型設(shè)計的基本參數(shù)3、頭車外形比較4、車體橫斷面尺寸,1、外形設(shè)計的基本

22、要求,隨著列車運行速度的提高，周圍空氣的動力作用一方面對列車和列車運行性能產(chǎn)生影響；同時，列車高速運行引起的氣動現(xiàn)象對周圍環(huán)境也產(chǎn)生影響，這就是高速列車的空氣動力學(xué)問題。,高速動車組外形設(shè)計的基本要求分三個方面，即要滿足:空氣阻力的要求壓力波動的要求噪聲方面的要求,2、頭型設(shè)計的基本參數(shù),(1)阻力系數(shù) 一些高速鐵路發(fā)展比較早的國家，通過試驗研究和理論計算，明確提出了各自的列車阻力系數(shù)指標(biāo)。 在“德國聯(lián)邦鐵

23、路城間特快列車ICE技術(shù)任務(wù)書”中規(guī)定：列車前端的驅(qū)動頭車空氣阻力系數(shù)C＝0.17；列車末端的驅(qū)動頭車空氣阻力系數(shù)C＝0.19。,(2)頭型系數(shù)（長細(xì)比） 長細(xì)比，即車頭前端鼻形部位長度與車頭后部車身斷面半徑之比。 頭、尾車阻力系數(shù)與流線化頭部長細(xì)比直接有關(guān)，高速列車頭部的長細(xì)比一般要求達(dá)到3左右或者更大，如圖所示：,CRH5動車組原型車SM3外型效果圖,3、頭車外形比較,CRH2動車組原型車E2－1000外型

24、圖,4、車體橫斷面尺寸,動車組車身橫斷面形狀設(shè)計有以下特點： 1.整個車身斷面呈鼓形，即車頂為圓弧形，側(cè)墻下部向內(nèi)傾斜（5o左右）并以圓弧過渡到底架，側(cè)墻上部向內(nèi)傾斜（3o左右）并以圓弧過渡到車頂。下圖為德國ICE動車組車身斷面形狀。這不僅能減小空氣阻力，而且有利于緩解列車交會壓力波及橫向阻力、側(cè)滾力矩的作用。2.裙板車輛底部形狀對空氣阻力的影響很大，為了避免地板下部設(shè)備的外露，采用與車身橫斷面形狀相吻合的裙板遮住車下設(shè)備，

25、以減少空氣阻力，也可防止高速運行帶來的沙石擊打車下設(shè)備。3.車體表面光滑平整，盡量減少突出物。如側(cè)門采用塞拉式；扶手為內(nèi)置式；腳蹬做成翻板式，使側(cè)面關(guān)閉時可以包住它。4.兩車輛連接處采用橡膠大風(fēng)擋，與車身保持平齊，避免形成空氣渦流。,車體斷面比較,ICE動車組車身斷面形狀,二、車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計,1、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計基本內(nèi)容2、車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)—JIS E71053、車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實例,1、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計基本內(nèi)容,在車體設(shè)計中必須考慮

26、以下幾個方面的要求。 (1)車體強(qiáng)度：為保證車輛在運行中有足夠的強(qiáng)度，必須能承受一定的載荷工況，以符合車輛的強(qiáng)度設(shè)計規(guī)范。需校核車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，同時要進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計。 (2)車體剛度：這主要是控制車體的垂向位移和扭轉(zhuǎn)角位移。 (3)車體自振頻率：這與車輛運行品質(zhì)和安全密切相關(guān)，因此，規(guī)范中對車體第一階垂向彎曲模態(tài)有一定的限制。 (4)車體的耐碰撞安全防護(hù)：即要求設(shè)計一個更強(qiáng)的客室結(jié)構(gòu)，同時在車體的

27、非乘客區(qū)設(shè)置能量吸收區(qū).以吸收撞擊動能，保證乘客安全。 (5)結(jié)構(gòu)輕量化：在保證安全和使用壽命的前提下，盡量做到結(jié)構(gòu)的輕量化.車體結(jié)構(gòu)所古車輛自重的比例很大，因此設(shè)計時尤其應(yīng)注意減輕其自重。,2、車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)—JIS E7105,3、車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實例,習(xí)題,簡述車輛設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容簡述車輛設(shè)計的類型及內(nèi)容。簡述轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計的內(nèi)容。簡述懸掛系統(tǒng)的基本參數(shù)。簡述彈簧、車輪、車軸和構(gòu)架設(shè)計的內(nèi)容及其CAD/CAE過程