地铁转向架悬挂件振动疲劳与轻量化研究

作     者：袁蒙蒙 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张开林

授予年度：2022年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：天线梁 加速度功率谱 振动疲劳 频域法 轻量化 

摘      要：随着轨道交通车辆速度与载重的提升,机车构件的运行环境逐渐复杂化,对车辆运行安全有了更高的要求。天线梁位于地铁转向架构架的端部,是ATP系统的承载结构,车辆运行过程中,因受到来自构架端部的随机振动激励而时常出现裂纹,严重威胁车辆运营安全,因此对天线梁进行疲劳分析有着十分重要的意义。本文基于三区间法,计算天线梁结构母材与焊缝的随机振动疲劳,并根据结构优化理论,对天线梁进行轻量化设计,具体工作内容包括:(1)介绍了随机振动疲劳的相关理论,包括随机过程的特征、功率谱密度与材料的疲劳特性曲线等。此外阐述了时域和频域两种分析方法在随机振动疲劳中的不同应用过程,通过对比两种分析方法的特点,确定采用频域分析法中的三区间法对天线梁进行随机振动疲劳计算。(2)建立了天线梁的有限元模型,采用有限元软件ANSYS在构架端部施加固定约束计算结构的模态振型。分三个方向施加实测加速度激励,基于Steinberg提出的三区间法对天线梁进行疲劳损伤计算,并结合Miner线性疲劳累积损伤准则与材料的疲劳特性曲线,计算天线梁母材与焊缝三个方向累积疲劳损伤。通过计算分析,在实测加速度激励作用下,母材与焊缝满足疲劳设计要求的同时,仍有一定的结构优化空间。(3)根据疲劳损伤的计算结果,为提高材料利用率,基于结构优化理论采用结构优化软件对天线梁结构进行轻量化设计。经过优化后的天线梁母材最大疲劳损伤为0.415,焊缝最大疲劳损伤为0.256,仍满足疲劳强度要求,而质量由原来135 kg减重为120 kg,降低了11%。