构架结构振动与动态应力仿真研究.pdf

第4O卷第8期机械工程学报v。1．4oN。．8
2004年8月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGAug．2004

构架结构振动与动态应力仿真研究

任尊松孙守光李强毛娟
(北京交通大学机电学院北京100044)

摘要：首先利用有限单元法，建立了详细的构架有限元模型并求解其各阶振动模态，在此基础上建立了完整的刚

一弹性体车辆系统动力学模型；通过动力学模拟计算得到了构架在车辆曲线通过和随机激扰下的结构振动响应；
最后，将构架的动力学计算结果返回到有限元中，得到了构架的动态应力时间历程与分布特性。该种研究方式不
仅完成了多体系统动力学研究中刚体与弹性体的有机结合，而且为转向架在结构设计阶段通过模拟计算就可获得
车辆运行过程中构架的动态应力分布，为评估其疲劳寿命奠定了基础。该仿真技术同样实用于其他相关研究领域，
如航空航天、工程机械和公路车辆等。
关键词：构架动态应力结构振动疲劳寿命仿真
中图分类号：U266U237
拟计算了构架的结构振动。但是，将构架或车辆其
0前言他主要部件弹性处理并将动力学计算结果返回到有
限元计算中，进一步得到其在曲线通过或随机激扰
长期以来，构架作为铁道车辆系统的关键部件，下的动态应力分布与应力一时间历程方面的研究，
其结构强度与疲劳寿命得到了广泛地关注与重视。目前在国内外几乎还没有相关文献可供查询。因此，
从某种程度上说，车辆系统的运行安全性由构架的将构架弹性化处理并实时计算构架动态应力方面的
使用状态决定。构架的结构强度(静强度)在其设计研究是十分必要的。
阶段可以通过强度计算，并结合相关理论进行评估，
从而得到保证。构架在动应力作用下的疲劳强度评1总体求解过程与模型建立
估一般只有在其制造完成后，通过相应的疲劳强度
测试试验来进行。因此，构架设计完成后，其静强1．1总体求解过程
度满足设计要求而疲劳强度不满足使用和安全运营借助有限元分析软件ANSYS与动力学计算软
要求的情况完全存在。如果测试结果表明该型构架件SIMPACK可以完成该项研究工作，详细处理过
的疲劳强度不满足设计或服务年限要求，那么该型程如图1所示。首先，在ANSYS界面中建立完整
构架就只得进行改进或重新设计。这显然与尽可能的构架(CW．200)有限元模型并划分单元，计算构架
地缩短产品研制周期、最大限度地降低产品研制成在一定频率范围内的各阶振动模态，并写出两个标
本的现代工业设计理念不相符合。准输出文件．rst和．sub，其中，前一个文件包含构
在研究车辆系统动力学中，常常将构架作为理架的模态信息，后一个文件包含构架的结构信息。
想刚体处理，这种处理方式在车辆低速运行时是完接着，在SIMPACK软件前处理模块FEMBS中，
全可以的IJJ。但是，在高速运行条件下，构架弹性调入这两种标准文件，通过选取合理的参与动力学
振动对系统动力学振动特性的影响不应再被忽略。计算的振动模态，得到一个标准输入数据文件：在
目前我国正在发展高速列车，从这一角度来看，开SIMPACK界面中，建立完整的车辆系统动力学模
展构架在运行状态下的弹性振动特性与动态应力分型，其中构架模型从上述标准输入数据文件中产生；
布研究也是十分必要的。另外，采用轻质构架是今运用时间积分对车辆系统进行动力学模拟计算，并
后构架设计的方向之一，采用轻质构架后，构架受利用LOADS模块输出标准时间积分文件；最后，
载后的弹性振动应引起足够的重视和关注。再次利用ANSYS分析软件，通过强度计算，得到
参考文献[2】研究过将车体作为弹性体处理后构架各点的动态应力响应。
(其他部件为刚体)车辆系统的动力学特性，参考文由此不难看出，这里的动态应力模拟计算过程，
献[3】将构架作为弹性处理(其他部件为刚体)，并模完成了从有限元分析到动力学仿真、又从动力学仿
真回到有限元分析的循环过程。在这个循环过程中，

2003l107收到初稿，20~0318收到修改稿通过动力学模拟计算，可以得到构架在车辆运行过

2004年8月任尊松等：构架结构振动与动态应力仿真研究189

道不平JII~(AAR6)作为轨道~'bJJn激扰。

2构架结构振动与动态应力分布

建立完整的车辆系统动力学模型之后，通过积
分计算f若无特别说明，车辆运行速度v=60km／h)，
(n横向模态f=l17Hz
得到了构架的振动特性和动态应力分布情况。
2．1构架动力学振动特性
图4显示了构架在车辆系统通过上述曲线时，

构架质心前6阶弹性振动响应(图4中，字母．厂表示
弹性振动，数值表示该阶振动频率，以下同)。可以
看出，无论是在垂向还是在横向上，在该运行工况
下第一阶频率对应的振幅最大、高阶频率对应的振

(g)垂向模态f=157Hz幅较小。或者说，在该工况下