CRH3动车组转向架构架结构分析.pdf
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石家庄铁道大学毕业论文动车组转向架构架结构分析
(一)左梁建模与结构分析StructuralAnalysisforBogieFrameofEMU()ModelingandStructuralAnalysisoftheLeftBeam20162016届届机械工程机械工程学院学院专专业业机械机械设计制造及其自动化设计制造及其自动化学学号号2012109620121096学生姓名学生姓名董宣利董宣利指导教师指导教师祖炳洁祖炳洁教授教授完成日期完成日期2016年年6月月5日日毕业设计(论文)成绩单毕业设计(论文)成绩单学生姓名董宣利学号20121096班级试1206班专业机械(卓越)毕业设计题目动车组转向架构架结构分析
(一)左梁建模与结构分析指导教师姓名祖炳洁指导教师职称教授评定成绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩:
院长(主任)签字:
年月日毕业设计(论文)任务毕业设计(论文)任务书书题目动车组转向架构架结构分析
(一)左梁建模与结构分析学生姓名董宣利学号20121096班级试1206班专业机械(卓越)承担指导任务单位机械工程学院导师姓名祖炳洁导师职称教授一、研究背景转向架是机车车辆最重要的组成部件之一,其结构是否合理直接影响机车车辆的运行品质、动力性能和行车安全。
而构架是机车转向架的骨架,是机车车辆最重要的承载结构之一,也是转向架其它各零部件的安装基础,它将转向架的各个零部件组成一个整体,在机车的牵引运行中起传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的作用,因此,机车转向架构架的可靠性对机车的性能和安全性有重大影响。
二、设计内容1、对转向架构架左侧梁进行三维零件建模。
2、对转向架构架左侧梁进行整体装配,并对装配好的装配图进行干涉检查。
3、用结构分析软件workbench对构架的5种工况进行静强度校核。
4、对转向架构架进行模态分析。
三、主要成果形式及基本要求1.绘制转向架构架的三维零件图和装配体。
2.转向架构架静强度校核。
3.转向架构架模态分析。
4.2万字毕业设计论文及3000字相关文献外文翻译。
四、基础参考资料和文献1王伯铭.城市轨道交通车辆总体及转向架M.成都:
西南交通大学出版社,2014.2黄云华,赵晓莉等.城轨车辆单轴转向架关键技术综述J.电力机车与城轨车辆.2007.3蒲广益.ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解.水利水电出版社,2012.4王克印.Solidworks2011中文版从入门到精通M.北京:
机械工业出版社,2010.5赵建明.转向架构架的强度分析与可靠性评价J.机车车辆工艺.1992.6王文静.动车组转向架M.北京:
北京交通大学出版社,2012.五、进度计划第1周-第3周搜集资料,信息调研。
第4周-第6周SolidWorks三维造型及装配。
第7周-第10周Workbench静力学分析和模态分析。
第11周-第13周撰写论文。
年月日毕业设计(论文)开题报告毕业设计(论文)开题报告题目动车组转向架构架结构分析
(一)左梁建模与结构分析学生姓名董宣利学号20121096班级试1206班专业机械(卓越)一、研究内容摘要进入二十一世纪,人们越来越关注出行的快速舒适、旅行的安全以及环境的可持续发展。
高铁本身不可替代的优势,使之成为世界经济快速发展的产物,高速铁路的到来,预示着轨道交通的复兴。
改革开放以来,我国经济飞速发展,普快列车越来越满足不了人们日益加快的生活节奏和出行要求。
大力发展高速铁路技术是适应现代化建设的跨越式发展,实现中国梦的正确抉择。
我国的基本发展方法是引进国外现有的先进设计制造技术,在此基础上进行吸收,最终设计制造出具有我国自主知识产权的高铁技术,进入世界先进之林。
CRH高速列车是电力动车组,是前铁道部向德国西门子、日本川崎重工等外企引入并消化吸收后,由中国中车生产制造的高速动车组,命名为“和谐号”。
研究和谐号动车组转向架构架结构强度有限元分析,对我国高铁技术以后向舒适性和环境相关性发展具有重要的理论应用价值。
二、进行的主要工作1、绘制CRH3动车组转向架构架三维零件图。
2、根据转向架构架二维图,将绘制的三维零件图进行装配。
3、装配完成后,对装配体进行干涉检查。
4、学习ANSYSWorkbench有限元分析软件,建立构架的有限元模型。
5、用Workbench对转向架构架模型进行静力学分析和模态分析。
三、预期达到的成果1、对CRH3转向架构架的技术及工作原理有一定的了解。
2、熟练使用SolidWorks软件、进行转向架构架的三维造型。
3、熟练使用SolidWorks软件对转向架构架的整体进行三维装配。
4、掌握与运用Workbench进行转向架构架的静力分析。
5、掌握与运用Workbench进行转向架构架的模态分析。
四、毕业设计进度1-3周搜集SolidWorks及Workbench等软件的相关资料和高速转向架资料。
4-6周使用SolidWorks2014进行转向架构架的三维造型及装配。
7-10周使用Workbench15.0对转向架构架结构的静强度分析以及模态分析。
11-13周撰写论文和翻译文献。
五、搜集的参考文献和资料1王伯铭.高速动车组总体及转向架M.成都:
西南交通大学出版社,2014.2王文静.动车组转向架M.北京:
北京交通大学出版社,2012.3薛风先等.ANSYS12.0机械与结构有限元分析从入门到精通M.北京:
机械工业出版社,2010.4廉耀东.ANSYSWorkbench15.0结构分析快速入门指南M.北京:
电子工业出版社,2015.5于鹏源.CRH3-350转向架构架结构强度研究D.吉林:
吉林大学机械工程学院,2015.6栗海涛.高速动车组动力转向架结构分析及动态仿真D.石家庄:
石家庄铁道大学机械工程学院,20157周英雄,王勇,宋烨.高速动车转向架静强度试验和仿真研究J.机械:
设计与研究,2014,41(7):
1-5.8吴丹,李晋武.高速转向架构架强度及模态分析研究J.兰州交通大学学报,2013,32
(1):
161-163.9TB/T2368-2005.动力转向架构架强度试验方法S.中华人民共和国铁道行业标准,2005.10Sung-cheolYoon.AStudyontheCharacteristicsofBogieFrameMaterialsJ.AppliedMechanicsandMaterials,2013,420:
144-148.11LivioGasparetto,StefanoAlfi,StefanoBruni.Data-drivenCondition-BasedMonitoringofHigh-SpeedRailwayBogiesJ.InternationalJournalofRailTransportation,2013,
(1):
1-2,42-56.12宋向辉,王红,商跃进.动车转向架构架强度分析J.机械研究与应用,2012,1:
1-3.13杨伟东.CRH2-300型动车组构架结构建模与动力学分析D.沈阳:
东北大学车辆工程研究所,2010.14周殿买,王艳爽,孔瑞晨.轨道客运车辆转向架技术的发展历程J.铁道车辆,2013,12:
35-42.15张文学,史秋萍,高文捷.Hypermesh与ANSYS在构架有限元计算中的应用J.铁道机车车辆:
2015,z1:
72-75.年月日摘要进入二十一世纪,人们越来越关注出行的快速舒适、旅行的安全以及环境的可持续发展。
高铁本身不可替代的优势,使之成为世界经济快速发展的产物,高速铁路的到来,预示着轨道交通的复兴。
改革开放以来,我国经济飞速发展,普快列车越来越满足不了人们日益加快的生活节奏和出行要求。
我国的基本发展方法是引进国外现有的先进设计制造技术,在此基础上进行吸收,最终设计制造出具有我国自主知识产权的高铁技术,进入世界先进之林。
CRH高速列车是电力动车组,是前铁道部向德国西门子、日本川崎重工等外企引入并消化吸收后,由中国中车生产制造的高速动车组,命名为“和谐号”。
研究和谐号动车组转向架构架结构强度有限元分析,对我国高铁技术以后向舒适性和环境相关性发展具有重要的理论应用价值。
本文先通过SolidWorks2014完成CRH3动力转向架构架三维建模,排除干涉。
随后,用Workbench15.0对构架进行前处理以及网格划分,制作有限元模型。
参照铁道部动力转向架构架强度试验方法中的规定,对转向架构架的载荷条件和约束条件进行确定1。
完成了5种工况的静态强度有限元计算。
处理结果证明,构架结构强度符合设计要求。
同时,使用Workbench15.0分析了构架的五阶模态。
本文所得的成果将对今后动车组转向架构架的设计提供参考2。
关键词:
转向架构架;有限元;静强度;模态分析AbstractEnteringthe21stcentury,peopleareincreasinglyconcernedaboutthefast,safeandcomfortabletravel,anditsenvironmentalsustainabledevelopment.High-speedrailwaybecomestheproductoftherapiddevelopmentofworldeconomy,foritsirreplaceableadvantages.Thearrivalofthehigh-speedrailwayindicatestherevivalofrailtransit.Sincethereformandopeningup,Chinaseconomyhasachievedarapiddevelopment,normaltrainarebehindthetimes,peoplecannotmeettheever-acceleratingpaceoflifeandtravelrequirements.Thebasicmethodofourcountryistointroduceforeignadvanceddesignandmanufacturetechnology,anddesignandmanufacturethehigh-speedrailwaytechnologywithindependentintellectualpropertyrights,andentertheadvancedranksoftheworld.CRHareelectricmultipleunit(EMU),istheformerMinistryofRailwaysintroducedfromGermanysSiemens,JapansKawasakiHeavyIndustriesandotherforeigncompanies,digestedandabsorbed,finalproducedthehigh-speedEMUbytheCRRC,namedtheCRH.TheFEAofthestrengthofthebogieframeoftheCRHisofgreattheoreticalvaluetothecomfortandtheenvironmentalcorrelationdevelopmentinthefuture.Inthispaper,theSolidWorks2014isusedtobuildthe3DmodelofthebogieframeoftheCRH3EMU,andeliminatedtheinterference.Subsequently,Workbench15.0FEAsoftwarewasusedtocompletethefiniteelementmesh,andfinallymadethefiniteelementmodel.Theloadconditionandtheconstraintconditionofbogieframearedeterminedbythestrengthtestmethodofpowerbogieframe.Thestaticstrengthfiniteelementcalculationof5kindsofworkingconditionswascompleted,andthecalculationresultsshowthatthestrengthofthebogiestructuremeetsthedesignrequirements.Besides,themodalanalysisofthebogieframeiscarriedout,andtheresultsobtainedwillbeofreferencetothedesignofthebogieframeoftheEMUinthefuture.Keywords:
bogieframe;finiteelement;staticstrength;modalanalysis目录第1章绪论.11.1课题研究背景及意义.11.2转向架技术及其发展现状.21.2.1转向架设计原则.21.2.2转向架的发展现状.31.3CRH3型动车组转向架.41.3.1转向架概述.41.3.2转向架构架结构特点.61.4本文主要工作内容.6第2章转向架构架三维建模.82.1关于SolidWorks三维建模软件.82.2构架左侧梁典型部件建模.82.2.1下盖板的三维建模.82.2.2立板2的三维建模.102.2.3抗蛇形减振器座三维建模.112.2.4垂向减震器座的三维建模.132.2.5空气弹簧导柱的三维建模.142.2.6上盖板的三维建模.152.3转向架构架的装配.162.3.1装配的基本要求.162.3.2构架左侧梁的装配.172.3.3转向架构架的总体装配.192.4装配过程中遇到的问题及解决办法.202.4.1配合过程遇到的问题及解决办法.202.4.2装配体的干涉检查及干涉解决办法.202.5本章小结.22第3章转向架构架有限元模型.233.1有限元分析方法简介.233.1.1有限元方法的基本思想.233.1.2有限元方法的分析步骤.243.2有限元分析软件Workbench15.0介绍.253.3建立构架的有限元模型.253.3.1模型的简化过程.263.3.2模型的前期处理.313.3.3模型的网格划分.313.4有限元模型建立过程遇到的问题及解决办法.343.4.1模型简化过程遇到的问题及解决办法.343.4.2自带接触导致冗余约束问题及解决办法.343.5本章小结.35第4章转向架构架静强度分析.364.1构架强度试验方法.364.1.1试验方法的选用的规范和标准(动力转向架构架).364.1.2超常载荷静强度试验.364.1.3模拟运营载荷静强度试验.374.2工况分析与边界条件处理.374.2.1五种工况选取和计算.374.2.2施加约束与载荷.384.3静强度分析结果与评定.394.3.1有限元分析结果.394.3.2评定标准及结果评定.424.4静强度分析过程中遇到的问题及解决办法.434.4.1垂向约束添加问题及解决办法.434.4.2约束方法问题及解决办法.444.5本章小结.44第5章转向架构架模态分析.455.1模态分析概述.455.1.1模态分析理论.455.1.2模态分析的评价原则.465.2转向架构架模态分析.465.3模态分析过程中遇到的问题及解决办法.505.4本章小结.51第6章总结与展望.526.1所做工作总结.526.2展望.52参考文献.53后记和致谢.54附录.55石家庄铁道大学毕业论文1第1章绪论1.1课题研究背景及意义我国成功实施铁路大面积提速以来,CRH系列动车组拥有了施展的舞台。
政府在2004年中长期铁路网规划纲要中就已经提出未来15年建设铁路快速客运通道的规划1。
高速铁路技术涵盖多种行业范畴,包括机械和电气行业、交通运输行业、材料行业、信息技术等。
可以说,高铁的发展水平,间接体现一个国家的科学技术实力、经济实力和工业水平。
步入二十一世纪,世界各国都在积极发展高速铁路,未来五年,全球高速铁路运营总里程预计将达到甚至高于2万千米。
高速铁路的发展必将迎来轨道交通的复兴。
我国人口众多,客运量和客运效率要求高,近年来逐渐增加的强大旅游客源弥补了当前货运的严峻形势。
最新数据显示,2016年1月和2月我国铁路客运量已经累计4.53亿人次,同比增长21.9%。
2014年2月至2016年2月客运量呈现持续增长趋势(对比数据如柱状图1.1所示)。
铁路系统作为我国运输行业的主力军,将为国民经济的发展、城市化进程的加快以及人民生活水平的提高起到巨大的推进作用2。
3.55.317.299.211.1413.3815.7317.8319.6221.3323.571.883.375.877.9810.112.1614.6417.1919.3721.6423.5225.352.124.53024681012141618202224262014年2月2014年4月2014年6月2014年8月2014年10月2014年12月2015年2月2015年4月2015年6月2015年8月2015年10月2015年12月2016年2月亿人次亿人次客运量图1-1我国铁路客运量(2014.02-2016.02)从世界第一条铁路出现至今,提升列车运行安全和提高列车速度一直是铁路科研石家庄铁道大学毕业论文2技术人员不断追求的目标。
转向架是动车组的行走部件,它的结构设计的可靠性对列车运行的安全稳定和运行速度起关键作用。
转向架不仅要保证列车顺利高速转弯,其结构设计参数还要保证列车的工作寿命,抗疲劳能力和乘客的舒适性体验。
高速铁路转向架技术是高速铁路技术中的最关键技术之一,对其构架强度进行合理准确的分析与研究,将为今后设计出安全性更好,速度更高的列车提供理论分析基础2。
1.2转向架技术及其发展现状转向架技术的先进和成熟是保证动车组顺利在轨道上飞驰的关键。
转向架技术涉及车辆的导向、缓冲、牵引、制动等方面,其结构设计和强度要求是否符合要求对行车安全和行车速度产生很大的影响。
转向架技术的不断进步,让越来越多的高速列车奔驰在世界各地,转向架技术的不断成熟,也带动着城市轨道交通的蔓延,让人们的生活更加便捷。
1.2.1转向架设计原则
(1)高速运行条件原则高速转向架与传统列车转向架相比有着很大的区别,其中之一就是高速转向架必须满足列车高速运行这一条件。
因此,在设计结构、选取参数等方面都要以高速为基本前提。
为适应今后速度的继续提升,转向架相关部件都应尽量满足互换性要求,或者选用只需要做最小的改动就能满足提速后要求的设计方案。
(2)舒适性原则当今世界已经进入信息化时代,在高度信息化环境下,动车组作为代替传统旅客列车的全新列车,不仅其现代化标准要求高,对舒适标准的限定也必然提高。
二系悬挂是解决舒适性的直接相关装置,所以在转向架设计中,设计准则是既要保证乘坐的舒适,也要保证列车运行的稳定性要求。
(3)环境原则CRH3型动车组在高速客运专线运行时,最大时速可以达到350km/h,速度的提高必然引起噪声的加剧。
为了减少噪声污染,转向架应采用轻量化设计,结构允许的部件采用铝合金等结构来减轻重量。
(4)适用性原则高速铁路技术的理论水平也提升到了一个新的境界。
转向架的设计已经由以前的经验设计转变为理论设计阶段,可以说转向架的合理性是机械与力学完美结合的产物。
在转向架构架结构的设计中,必须坚持“现金与成熟的科学技术、经济与适用的石家庄铁道大学毕业论文3性价比、可靠地高速运行安全性与稳定性、方便的保养与维修”这一基本设计理念5。
1.2.2转向架的发展现状通过查阅目前全球拥有高速铁路技术的各发达国家相关资料,可以总结出当今世界高速转向架技术的发展状况。
包括日本新干线动车组转向架;ICE德国系列高速转向架;法国TGV用高速转向架和意大利ETR高速转向架等。
下面举例德国和法国转向架的发展情况。
德国ICE系列家族最新成员为ICE3(如图1-2所示),其最快速度可以达到330km/h。
ICE3采用SF500型无摇枕转向架,动力分散模式,构架采取箱型焊接结构。
转向架的一系悬挂主要由螺旋弹簧和垂直减震器组成,在侧梁前后端冒筒部位,二系悬挂为带有橡胶堆的空气弹簧,在构架侧梁中心处5。
图1-2德国ICE-3高速列车法国TGV用转向架至今发展到三代,第一代是TGV-PSE用的Y231和Y230型;第二代是TGV-A用的Y237型转向架,在1989年投入运营的正常时速为300km/h,而其最高试验速度达到了515.3km/h,空气弹簧的采用使以前将近10Hz的高频振动降低到0.7-0.75Hz,显著提高了列车运行的平稳性;第三代Y237-A型转向架是为满足增高的客运量研制的,应用于TGV-2N型双层列车,它的应用是载客量提升了45%。
Y237-A型转向架是Y237转向架的改进型号,为了使列车总重不发生显著变化,Y237-A型转向架采用了轻量化设计,相比Y237型减重1t左右。
我国实行铁路大提速后,出现了和谐号动车组,它是铁路总公司(原铁道部)向石家庄铁道大学毕业论文4加拿大、法国、日本、德国等多家企业签订引进协议。
在“以市场换技术”原则下,通过联合设计生产和对重点技术的消化吸收,创建的具有我国独立知识产权和专利的高铁技术。
我国为适应不同的列车运行速度,设计生产了如209型、206型、CW型和SW型等系列的转向架,以及和谐号动车组的CRH系列转向架。
CRH系列高速转向架是中车集团与日本的川崎重工、法国ALSTOM、德国SIEMENS、和加拿大庞巴迪等公司联合设计开发的高速转向架。
可以说,CRH系列高速转向架是集成了世界先进技术的高速转向架,体现了机械学与力学以及计算机辅助设计的无缝结合,具有良好的综合性能。
1.3CRH3型动车组转向架CRH3型动车组由CRRC主导,与德国西门子合作生产,其原型是德国ICE-3列车。
通过技术转让,最终由北车唐山轨道客车实现国产化,最终定型为CRH3C型(如图1-3所示)。
转向架分为动力(MB)和非动力(TB)两种,其结构类似。
图1-3CRH3C型动车组1.3.1转向架概述CRH3型动车组最快时速为350km/h,每列动车组八节车厢,每节车厢由两个转向架组成,车辆分布型式及其编组如图1-4所示,其中EC为端车,如EC
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- CRH3 车组 转向架 构架 结构 分析
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