209系列转向架结构补强及结构疲劳评估研究

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1、1S17417硕士学位论文209系列转向架结构补强及结构疲劳评估研究A Study on 209 Series of Bogie Frame Structure Reinforcement and Structure Fatigue Assessment作者：杨子森 导师：李强北京交通大学2010年6月学校代码：10004密级：公开中图分类号：U271 UDC： 629北京交通大学硕士学位论文209系列转向架结构补强及结构疲劳评估研究A Study on 209 Series of Bogie Frame Structure Reinforcement andStructure Fatigue

2、 Assessment 作者姓名：杨子森 导师姓名：李强 学位类别：工学 学科专业：车辆工程 学 号：08121845 职 称：教授 学位级别：硕士 研究方向：结构强度 北京交通大学2010年6月致谢本人在读研究生期间，在学习上我的指导老师李强教授给予了热情的帮助， 同时他那严谨的治学态度使我深受教育。本论文从论文的选题、论文结构及整个 论文的完成都是在李老师精心指导和热情的关怀下完成的。在此谨向我尊敬的导 师表示深深的谢意！特别感谢缪龙秀老师，谢基龙老师、王文静老师、任尊松老师、刘志明老师 在我的学业和论文的完成中给予的精心指导和无私的帮助。同时感谢杨广雪博士、 朱宁博士、占彦、张双、李振平

3、、张恒、徐国祥、郑福印等同学在我论文完成过 程中对我的帮助。此外，论文工作还得到了唐山轨道客车股份有限公司在数据、试验等方面的 大力支持，在此对公司领导表示深深的谢意。最后感谢我的家人，正是在他们默默的支持和鼓励下才使我顺利完成了学业。北京交通大学硕士学位论文中文摘要中文摘要摘要：随着近几年我国客运不断的进行大规模提速，产生了一系列的疲劳破坏问 题，其中尤为突出的是209系列构架的焊接部位出现的疲劳裂纹破坏的问题，主要 发生在横侧梁连接部的横梁与侧梁下盖板的焊接部位。该裂纹的出现不仅影响铁 路的正常客运运行，而且对列车的安全性产生影响。本文针对中国北车集团唐山 轨道客车有限责任公司生产的209

4、T和209P型客车转向架构架，在运用中产生裂纹 的问题进行研究。根据唐山轨道客车有限公司提供的有关参数，本文首先对209系列两种构架按 照国际铁路联盟的UIC515-4规程中的规定，运用有限元软件ANSYS对该构架进 行了静强度和模拟运行工况下的疲劳强度的计算，经过分析后发现该构架疲劳强 度不能够满足设计使用要求；因此需要对该系列构架进行补强，补强方案根据铁 道车辆构造检修及装备中相关标准设计，共对209T构架提出了六种补强方案， 209P型构架提出了三种补强方案；按照UIC515-4的相关标准对每种补强方案进行 静强度和疲劳强度的计算分析，结合方案的工艺可行性选出了最优补强方案。对209T和

5、209P补强后的构架在实际线路上先后进行了二次动应力测试，试验 线路选择在该类车运用条件较差的兰州至嘉峪关区间段进行实验，实验列车采用 正常的列车编组，因而可以恨好的反映出列车的实际受力情况。经过对釆集的动 应力数据进行处理分析，运用Goodman疲劳曲线对209补强构架进行疲劳强度评估; 运用名义应力法相关理论，通过Miner线性累计损伤准则计算出在1200万公里下的 等效应力幅值，结合相应焊接接头的基本疲劳性能对最优补强方案进行了试验评关键词：转向架构架；补强筋板；疲劳强度；Goodman图 分类号：U271m北京交通大学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTABSTRACT:As

6、the largely speeding-up of our country's trains of passengers, a series of fatigue damage problems come out. Particularly, there are fatigue cracks in the junction of horizontal side beam of 209 series of bogie frames, which is quite a serious trouble. This crack not only affects the daily rail

7、transport, but also has large influences on the safety of trains. What this paper researches is aimed at 209T and 209P bogie frames, which are manufactured from Tangshan Track Train corporatin of CNR, studying the weld during the transport.According to the parameters provided by Tangshan track train

8、s corporation, and refer to"UIC515-4 regulations" defined by the national railway union, firstly, calculating static strength and fatigue strength of the bogie frames of 209T and 209P in simulation condition using ANSYS software. After analyzing the results, we find out that 209 bogie fram

9、e can not meet to the designing requirements. So, the structure of 209 frame has to be reinforced. According to "Trains structure examining and repairing and equipments", which regulates how to design, we design 6 proposals of 209T frame and 3 proposals of 209P frame. Then, we calculate ea

10、ch proposal's static strength and fatigue strength referred to UIC515-4, and according to technological feasibility, to select the optimumThe 209T and 209P reinforced bogie frames are tested in a real line twice, the line is from Lanzhou to JiaYuguan, which is bad condition for the train's u

11、sing，to make an experiment, and the vehicles are linked to a formal train in order to reflect the real condition of train's stress well. After treating and analyzing the stress data, the 209 frames are evaluated fatigue strength by using Goodman curve. Through the theory of Nominal stress and so

12、me related theories, to calculate the stress equivalent amplitude in condition of 12million kilometers, and make an assessment for the experiment of the optimum ones accprding to the basic performance of welded joints. KEYWORDS: bogie frame； reinforced rib； fatigue strength； Goodman diagram CLASSNO:

13、 U271iv北京交通大学硕士学位论文中文摘要目录mMii中文摘要iiiABSTRACTiv目vi.mi1.1 mnnMi1.2 mmmni1.3 mRmmmu21.4本论文主要研究ft容342.1 42.2 ANSYS 简介52.3计算载荷骑算载荷工况52.4计算约束及边界条件82.5 wmmn-92.6 209构架角焊接接头Goodman曲线确定11本章小结133构架结构补强方案的研究与确定143.1补强板的设计143.2 209T型构架补强方案：173.3 209P型构架补强方案233.4补强构架强度评估263.4.1 mmim263.4.2 27304.构架实际线路的测试与应力谱的编制

14、314.1实验车辆、线路和工况314.2 mmMmnim324.3实测数据的整理与归纳364.3.1应力谱的编制理论364.3.2 一维应力谱的编制理论37本章小结385.构架的疲劳强度评估与疲劳寿命评定395.1煌接构架疲劳强度评估395.1.1 209T构架疲劳强度评估395.1.2 209P构架疲劳强度评估415.2 mmmmw425.2.1名义应力法435.2.2焊接接头S-N曲线445.2.3变幅载荷小应力循环对疲劳累计损伤的影响455.2.4 Miner mmmmmi475.2.5等效应力幅的推导485.2.6 疲劳许 ffl 应力495.2.6.1 209T原结构及补强结构测试数

15、据分析：505.2.6.2 209P原结构及其补强结构数据分析5254556.1 556.2展望5657m58IJHJ59Ulxmm60北京交通大学硕士学位论文1绪论1.绪论1.1研究背景随着近几年我国客运不断的进行大规模提速，产生了一系列的问题，其中尤 为突出的是疲劳破坏的问题，主要发生在焊接部位，这也是最容易发生疲劳破坏 的部位。本论文主要针对唐山轨道客车车辆厂生产的209T及209P这两种出现裂纹破 坏的构架进行研究。209系列转向架是我国早期自主研制的转向架，它广泛应用 在我国客车上。209T型客车转向架是我国自行研制的209系列客车转向架的一种。 这种转向架是在我国传统客车转向架结构

16、上改进的，具有结构简单、性能可靠、 磨耗件少、检修方便、运行平稳等优点，因而被广泛用于我国23. 6米和25. 5米铁 路客车上，是我国主型D轴客车转向架之一。209T型客车转向架适用于时120km/h 以下运行。209P型客车转向架，为了适应较高速度需要，其基础制动装置采用盘形制动 加单侧踏面制动的复合制动系统，主要用于25.5米客车上。由于这两种构架采用焊接结构，近来出现了大量的疲劳裂纹，对安全运行产 生隐患。目前世界上各个国家的工业事故中有很多都是出自疲劳破坏，疲劳断裂事故 最早发生在19世纪初期，随着铁路运输的发展，轨道客车的疲劳破坏成为了工 程上遇到的第一个疲劳强度问题。安全性对于客

17、车是最为重要的性能，因此对该 构架进行疲劳强度的研究是非常必要的。209系列转向架应用在我国大部分120km/h客车上面，唐山轨道客车厂生产 的占了其生产总量的相当一部分，由于采用焊接结构，且当时设计时对疲劳问题 的认识不够充分，导致焊接部位出现裂纹。一旦出现疲劳断裂将对我国铁路客运 产生着致命的影响，会造成巨大的经济损失。因此能够最大程度降低损失的方法 是研究出现裂纹的原因并对结构进行补强，使现有投入使用的转向架构架仍能够 继续使用，才是最好的解决办法。1.2转向架发展历程北京交通大学硕士学位论文11绪论随着铁路运输的发展，我国50年代发展起来的202型及其它旧型客车转向架 已越来越不能适应

18、安全运行和满足旅客舒适度的要求，需要有一种新型转向架来 代替它。1972年客车转向架定型工作会议，肯定了206型(当时称UD3型)转向架， 但由于工厂在制造时有困难，希望能提出对旧型D轴转向架的改造方案.209型客 车转向架就是在选样一种形势下设计制造出来的。1974年浦镇车辆厂在有关单位协作下，对205型转向架又进行了较全面的改 进，改进后的转向架即是205型C、D轴通用客车转向架，后来铁道部定名为208、 209型转向架(装C轴时为208型，装D轴时为209型)。1975年下半年由浦镇车辆厂 投入小批量生产。该型转向架的轴箱弹簧托盘中心距原设计为560毫米，由于和 206、207型转向架以

19、及机保车的D轴轴箱不能互换，1977年11月将弹簧托盘中心 距改为580毫米.并投入了批量生产。1978年铁道部十年科研发展规划及25. 5米轻型容车设计任务书提出客车运 行速度提高到160公里每小时的要求车辆厂对209型转向架轴箱定位结构及摇枕 纵向挡又进行了改进，改用牵引拉杆，并试制两辆份装在YZ2226929及26930号车 上。为使该型转向架既能适用于23. 6米，又能适用于25. 5米的客车既能安装盘 形制动装置，也能安装踏面制动装置，1979年对构架再次进行了改进。同时，为 方便运用，对导柱安装结构及摇枕、垂向缓冲器、摇枕吊销等零件也作了改进。 改进后的转向架即为现今的209T及2

20、09P型转向架，并进行了静强度试验3。1.3构架发生疲劳裂纹情况根据唐山轨道车辆有限公司所提供的资料显示，该疲劳破坏部位发生在构架 横侧梁连接处，该部位是容易发生疲劳破坏的部位。如图1-1所示：Fig.l-1 The bogie frameworic of 209T trainFig. 1-2 The bogie framework of209P train 根据上图1-1及1-2所示,得出209P与209T两种客车构架均在一个部位出 现裂纹：构架横侧梁连接区侧梁下盖板与横梁连接处。该两种类型的构架主要区 别是：一个是盘型加单侧面踏面制动，一个是采用踏面制动。1.4本论文主要研究内容(1) 运

21、用ANSYS对209转向架构架进行有限元建模；根据UIC标准进行载荷施加， 计算分析；(2) 通过计算结果和查阅资料分析裂纹出现的原因，并对结构进行补强；(3) 经过有限元分析后得出可行的改进方案；(4) 在实际的线路上对改进后的结构进行动应力实测；(5) 对所测得的试验数据进行处理，编制应力谱，对改进后的构架寿命进行 评估。北京交通大学硕士学位论文2原构架的计算与分析2.原构架的计算与分析根据中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司所提供的图纸以及数据，建立 几何模型及其有限元模型，计算模拟工况作用下的应力值，以此来分析产生疲劳 裂纹的原因。根据现场的结果，裂纹出现在构架的横侧梁连接区的侧梁下盖

22、板与 横梁连接处。因此着重分析该部位的强度。本章主要是用有限元软件ANSYS计算 209T及209P构架，并分析产生疲劳裂纹的原因。2.1有限元法概述有限元法在20世纪50年代起源于航空工程结构的矩阵分析方法。这一方法 主要用来解决复杂杆系结构中力与位移的关系。为此，它先把整个杆系结构分解 开来，对每一杆件，在衍架结构中，不计连接各个杆件的铰的摩擦力，则单个杆 件是二力杆；在刚架结构中，则单个杆件是梁。上述结构可以利用材料力学或结 构力学方法进行分析以得出其力学性能。然后再把这些杆件的内力特性借助于刚 度矩阵的方法综合起来，以得出整个结构的力学特性。这一方法在20世纪50 年代后期开始被用来处

23、理弹性力学中的连续体问题。I960年，Clough在进一步 处理平面弹性问题时，并第一次提出了“有限单元法”这个名称，使人们开始认 识了有限元法的功效。从此，有限元法在工程领域得到了广泛应用。有限元法的基本思想是将具有无限个自由度的连续的求解区域离散为具有 有限个自由度的、且按一定方式相互连接在一起的离散体，即将连续体假想划分 为数目有限的离散单元，而单元之间只在数目有限的指定点处相互联接，用离散 单元的集合体代替原来的连续体。由于单元可以按不同的联接方式进行组合，且 单元本身又不具有不同的几何形状,因此可以对几何形状复杂的连续体模型简化 并对其进行求解。对每个单元，由于其离散形状较为规则且具

24、有的几何形状较小， 因而可选择一个较简单的函数来近似地表示其位移的分布规律，并用弹性力学中 的基本方程建立起来单元上节点力与位移的关系。最后，将所有单元的这种力学 特性借助于矩阵方法集合起来,就得到整个连续体上的力学特性的近似解。显然, 随着单元数量的增加和单元几何形状的减小，解的近似程度将不断改进，如果单 元满足收敛要求，近似解最后将收敛于精确解。一般情况下，有限元方程是一组 以节点位移为未知量的线性方程组，解此方程组可得到连续体上有限个节点上的 位移，进而可求得各单元上的应力分布规律【4】。2.2 ANSYS 简介ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分 析软

25、件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽 车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日 用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从 PC到工作站再到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼 容。ANSYS多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算成 本，如热结构耦合、磁结构耦合，以及电-磁-流体-热耦合，在PC上生成的模型 同样可运行于巨型机上，这样就确保了 ANSYS对多领域多变工程问题的求解。ANSYS由世界上著名的有限元分析软件公司ANSYS开发，它能与多种CAD软 件结合

26、使用，实现数据的共享和交换，如autoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、 NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一35】。ANSYS软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分 析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大 应变/有限转动功能，以及利用ANSYS参数设计语言的扩展宏命令功能。基于 Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和 功能选择，为用户使用ANSYS提供“导航”。2.3计算载荷与计算载荷工况计算载荷和计算载荷工况根据我国和铁路联盟相关标准确定。由于本论文研 究

27、的是客车构架，所以参照UIC515-4客车/转向架-走行部/转向架构架强度试 验和TB/T1335-96铁道车辆强度设计及试验鉴定规范。根据唐山轨道车辆有限公司提供的209系列转向架的参数如下：春轨距（mm):1435轴重（t):18.0轴距（mm)2400转向架重量（t):6.7轴箱弹簧垂向刚度（N /mm) ：568作用于转向架构架上的载荷主要包括：垂向载荷、横向载荷、扭曲载荷、制北京交通大学硕士学位论文2原构架的计算与分析动载荷和纵向载荷等。(1) 超常载荷工况下的计算载荷。作用于转向架上的垂向载荷：FZnm=P)inbPQm2g)(2-1)=(1 + 0.4)(2 x 18 x 9.8

28、 - 6.7 x 9.8) =401.996KN式中，於为垂向动载荷系数，对于货车转向架於=0.5;对于客车和机车转向 架於=0.4; %为转向架质量；巧为轴重；4为每台转向架的轴数。作用于转向架上的横向载荷-(2-2)=2(104+) =140KN在三轴转向架中（=3),则假设其中间轮对不参与横向力的传递。扭曲载荷：对于货车和客车转向架，当转向架装有悬挂装置时，转向架构架承受的扭曲 载荷为线路最大扭曲的10%。按照2400mm定距计算，取扭曲量为：24mm。(2) 正常运行载荷工况下的计算载荷。作用于转向架构架上每侧梁的垂向静载荷： 对于本客车转向架：Fz =(nhP0 -mzg)/2U7.

29、 2 kN(2-3)作用于转向架上的垂向动载荷：对于机车和客车转向架，将机车车辆通过曲线时由离心力和风力引起的车体 侧滚运动对构架左右侧梁垂向载荷的影响，由垂向载荷的某一百分数表示，这 里由于车体的垂向运动（浮沉）而引起的垂向载荷的动态变化用垂向载 荷的某一百分数表示，这里於=0.2系数a和之和等于0.3,通常符合常规铁路线路的正常运行条件。若线路 条件变差，对于转向架可以通过提高上述系数来考虑。作用于转向架上的横向载荷： 对于机车和客车：Fr = 0.5(FZ - 0.5m2g) (kN)(2-4)=75.3 kN6北京交通大学硕士学位论文2原构架的计算与分析扭曲载荷-对于货车、客车和机车转

30、向架，当转向架装有悬挂装置时，转向架构架承受 的扭曲载荷为线路最大扭曲的5%。.根据UIC515-4标准，将车轮上的扭转按5 % 轨道扭曲量进行考虑。按转向架2400mm的定距计算，车轮的垂向位移为12. 0mra»纵向载荷：对于货车和客车转向架，通常不施加纵向载荷。但是为了转向架安全，强度 计算时应考核制动工况产生的纵向载荷对构架强度的影响。 对于本构架的纵向载荷：Fx =0A(Fz+0.5mzg)(25)=15.1 kN制动载荷-取轮轨摩擦系数为0.3,并考虑1.2倍的安全系数，计算得到每制动吊座的 载荷为15kN»根据UIC515-4规程，本论文所用到的载荷工况如下表

31、所示6: 表2-1 UIC 515-4标准计算工况 Table.2-1 The Criterion of UIC 515-4 of calculating condition类 型工 况 号垂向载荷横向 载荷纵向 载荷斜对 称载 荷制动 载荷左侧梁右侧梁模 拟营1FzFz0002Fz(l+a-fi)Fz-a-P)000“ CQ_侄+13Fz(i + a-fi)Fz(l-a-/3)004Fz + a + fi)0005Fz(l + a + fi)F2-a + fi)+ Fy006Fz(-a-P)Fz+a-P)0007Fz(Ua-P)008Fz-a + P)0009Fz(-a + P)Fz(l +

32、 or +灼0010FxF续表2-1 UIC 515-4标准计算工况 Table.2-1 The Criterion of UIC 515-4 of calculating condition11Fz(l + a + )Fz-a + P)FxFn12Fz-a-p)Fz( + a-fi)_Fy-FxFn13Fz-a + P)Fz + a + p)Fy-Fx2.4计算约束及边界条件根据该209系列转向架的结构分析，首先在构架与轴箱连接部为施加弹性约 束，进行全约束。故在安装轴箱部位建立弹簧元，弹簧元垂向刚度取568N/mra， 横向刚度取5000 N/mm；纵向刚度取6000 N/mm,建立有限模

33、型，并进行加载计分别计算上述13种工况下的应力响应，得出每种工况下的应力最大值吣 及其最小值mta。根据下式计算应力幅值及其平均应力： (2-6)(2-7)经过计算分析结果发现工况13应力值最大，工况10应力值最小，因此将用 工况13与工况10的计算结果带入上式进行计算。但是，发现因为工况10和工 况13均受制定载荷且方向大小相同，如果直接带入式中会使制动载荷作用下的 应力抵消掉，不能模拟正常工况下的应力幅值，因此需要对应力幅值公式进行修 正如下： (2.8)其中为在制动载荷单独作用下所受的应力2.5原结构构架计算由于209系列构架出现了横侧梁连接部疲劳裂纹破坏，本节主要是分析209T 及其2

34、09P构架原结构在上述工况下的应力幅值，并分析出现疲劳裂纹破坏的原 因，为解决该问题提出一定的依据。按照上节中关于计算应力幅值的方法分别计算209T和209P型构架的应力幅 值如下：209T原结构计算结果：坤：'嚇，-,»<綜二态。.無 M 图2-1 209T构架整体应力幅值云图图2-2内侧横侧梁连接部焊缝应力幅值Fig.2-l:The whole 209T Bogie frame stress Fig.2-2 Inside horizontal side beam stress in weldFig.2-3 Outside beam Von Mises stress

35、in weld Fig.2-4 Average stress outside of crossbeam图2-3外侧横侧梁连接部焊缝应力幅值 图2-4 209T构架横梁外侧平均应力北京交通大学硕士学位论文2原构架的计算与分析11图2-5 209T平均应力云图 Fig.2-5 Average stress of 209T frame209P型构架计算结果如下：图2劣外侧平均应力云图 Fig,2-6 Average stress outside of crossbeam I m zuaan soionoiAf'iTUklj“'''-'''

36、9;-"'"'-'"“MM,., ,.,川圖miMM.013732 20,174 40.333 S0.195 90.653jW!)WiMK nn,丨,"10.094 30.2S3 SO. 413 70.573 90.*?33 I0 27,399 54.799 02.197 109.5S6L I 13. 6g94t.096»S.a9<图2-7 209P构架整体应力幅值云图图2-8外侧横侧梁连接部焊缝应力幅值云图Fig.2-7 209T Bogie frame Von Mises stress Fig.2-8 Outs

37、ide horizontal side beam Von Mises Ave tuavan bolotionJUM 9 2010K2 (KTO1 J 01:00:21SKN -.1C2E-04圓stress in weld111 96»35. >049».M1w.rr*| 图2-9 209P原构架平均应力图2-10内侧横侧梁连接部焊缝应力幅值云图Fig.2-8 Average stress of oiginal 209P Fig.2-10 Amplitude inside of junction of crossbeam北京交通大学硕士学位论文2原构架的计算与分析将上

38、述对209T和209P构架原结构的模拟工况计算结果列于表2-2所示:表2-2: 209原结构构架应力幅值及其平均应力 MPa Table.2-2 The original bogie frame structure average and amplitude Von Mises stress209T型构架209P型构架危险部位应力幅值平均应力应力幅值平均应力外侧横侧梁连接部焊缝74.9125.675123.29535. 904内侧横侧梁连接部焊缝52.3712. 83755. 3523. 9362.6 209构架角焊接接头Goodman曲线确定209T及其209P型构架采用的是角接焊接接头，承

39、受的是横向承载受力。根 据上面第三章中计算的应力幅值，并通过计算出了平均应力。因此本章采用的是 Haigh图形式的修正的Goodman曲线形式进行疲劳评价1()】。本构架采用16MnR钢材，按照TB/T 13351996铁道车辆强度设计及试验 鉴定规范中的规定，16MnR钢许用应力为216MPa。参考资料16MnR板材对接接 头疲劳试验中得到存活率为99%和置信度为95%的角焊接接头焊缝未修复的 Goodman曲线参数可得：表2-3 16MnR的Goodman坐标转折点坐标值 Table.2-3 Coordinates of Goodman turning point of 16MnR转折点平

40、均应力CTm/MPa应力幅值/MPaA080.00B168.42216. 00C216. 00216. 00D168. 42120. 85E0-91.71F-124. 30-216. 00G-216. 00-216. 00H-124. 30-32. 59G F图2-11 Smith形式的Goodman曲线绘制 Fig.2-11 Painting of Smith's Goodman curve Haigh形式的Goodman曲线形式：本文取修正的16MnR钢材角焊接接头的 曲线形式，如图所示：取许用抗拉极限481MPa,巧为焊接接头的许用应力， 取为：216MPa, <、为焊接接

41、头的对称循环下的许用疲劳极限80MPa。如图2-14 所示：、图2-12 Haigh形式的Goodman疲劳曲线 Fig.2-12 Painting ofHaigh's Goodman curve 本章利用Haigh的Goodman曲线进行对209原构架结构疲劳强度进行评估，根 据表2-2中的数据，将其按坐标值点入Goodman曲线得：J 5050 100 150 200图2-13 209原构架Goodman曲线评估 Fig.2-13Assessment of209 original frame by Goodman根据图2-13所示，209T构架横梁外侧焊缝部位超出了 Goodman

42、曲线范围， 209P构架横梁外侧焊缝部位超出了 Goodman曲线范围。因此原结构必然会出现 疲劳裂纹破坏。原因初步分析：(1) 焊接质量缺陷当时焊接工艺较落后，纯手工操作，构架横侧梁连接部焊缝焊接质量较差。 焊缝中的偏析严重影响焊缝质量，不仅使化学成分不均匀、性能改变，同时也是 产生裂纹、夹渣、气孔的主要原因之一。焊缝表面的裂纹和气孔引起疲劳破坏、 寿命降低。焊缝熔合区因温度过高而形成粗晶，导致其强度、塑性和韧性均下降, 易产生疲劳裂纹和局部脆性破坏。热影响的母材受热后发生金相组织和机械性 能变化。(2) 应力集中横侧梁连接部横梁与侧梁下盖板焊缝属于角接焊缝，角接焊缝会导致应力集 中，焊接残

43、余应力加剧应力集中，未焊透、未熔合、咬边、气孔、夹渣等焊接缺 陷导致应力集中。这大大地降低了疲劳强度，在交变载荷和低应力状态下，会由 于材料本身和焊接缺陷而产生早期疲劳裂纹。经过上述原因分析得出原结构不能满足疲劳设计要求,因此需要对构架结构 进行补强。本章小结本章主要介绍了有限元方法的概述；以及ANSYS软件的应用，(1) 本文主要应用ANSYS的结构强度模块对构架进行模拟计算；确定了对构 架进行加载的工况及其边界条件。(2) 对209T和209P构架原结构参照UIC515-4标准进行了模拟线路工况下的 计算。(3) 介绍了本文构架16MnR钢材角焊接接头的两种形式的Goodman疲劳极限(4

44、) 对有限元计算结果利用Goodman疲劳极限图进行疲劳强度评估，初步分 析了原结构出现疲劳裂纹的原因。北京交通大学硕士学位论文3构架结构补强方案的研究与确定3构架结构补强方案的研究与确定经过上面第2章的强度分析，可以得出原结构难以满足要求，所以需要对构 架原疲劳薄弱部位进行结构补强。本章主要就原结构提出了几种补强方案以及再 次通过计算，选出最优的方案。3.1补强板的设计根据铁道车辆构造检修及装备上的规定：一、构架的中间横梁、侧梁裂纹不超过该处断面周长1/4及端梁、辅助梁裂 纹不超过该处断面周长1/3时，应铲坡口、预热后焊修，焊后应有23mm的增 强焊波，并进行局部加热正火热处理。二、中间横梁

45、及侧梁裂纹超过上述限度但不超过断面周长1/2,其他梁裂纹 超过上述限度或折损时，允许焊修补强。补强板厚度为1012mm,长度为裂纹 处侧面高的两倍，宽度为侧面高的80%;裂纹延及两个侧面以上或折损时，补强 板应为角形或槽形。补强板的长度在300mm以上时，应钻直径为20mm、孔距 为100mm的塞焊孔两个，点固后分段周围满焊，焊后应正火处理9】。若在原有旧焊缝及其附近有裂纹时，须先铲除旧焊波，焊后应进行补强。上、下盖板补强板须符合下列要求15】：各梁上、下盖板补强板厚度不小于原盖板厚度，宽度与原盖板相同，补强 扳长度：焊结构者，须盖过裂纹每侧300mm及以上；铆结构者，须跨过裂纹每 侧3个铆钉

46、孔。腐蚀补强时，须盖过腐蚀边缘50mm以上。燕尾形盖板尾部的补强板长度须盖过裂纹每侧200mm及以上。枕梁或跨 过中梁的横梁下盖板横裂纹位于中梁下方或两侧各100mm以内时，须焊装元宝 形补强板，长度盖过中梁两侧200mm及以上。翼板形平行补强板：厚度、宽度与翼板相同，长度须盖过裂纹每侧300mm 以上或盖过腐蚀部位边缘两端各50mm以上。腹板补强板（平行、角形)：焊结构者，厚度须大于原梁腹板厚度的90%， 高度须大于腹板高度的50%,且须盖过腹板上的裂纹或腐蚀边缘50mm以上， 长度大于梁高的1.5倍，补强板四角须倒角。铆结构者，一侧补强时，厚度须较 原梁腹板厚度增加10%;两侧厚度为原梁腹

47、板厚度的60%80%，高度与腹板相 同，长度大于梁高的2.5倍【13】。北京交通大学硕士学位论文3构架结构补强方案的研究与确定中梁上的补强板距主管孔、杠杆孔、枕梁、横梁腹板小于50mm时，长度须 盖过上述孔或腹板外侧50mm以上，高度须大于腹板高度的80%。两根中梁（牵引梁除外）的相对补强板两端部均须错开150mm及以上：同 一根中梁相邻两补强板内端部距离须不小于300mm，同一根侧梁相邻两补强板 内端部距离须不小于100mm。侧梁在侧柱内侧局部腐蚀时，补强板须穿过枕梁、横梁，长度盖过侧柱两翼 板边缘各50mm以上，宽度与侧梁腹板高度相同；侧梁横裂纹、腐蚀距枕梁、横 梁腹板大于100mm时，补

48、强板可不穿过枕梁、横梁，可与枕梁、横梁相连接。角形补强板须与下翼板密贴。补强板穿过枕梁、横梁者，焊修后须用角钢将 补强板与枕梁、横梁相连接，并焊接牢固141。中梁、侧梁补角形补强板时，须在修理部位支镐，将修理部位调修到水平线 以上，在没有自重弯曲应力条件下焊修后补强，裂纹末端延及腹板时,须钻 10) mm的止裂孔（止裂孔不焊堵)。根据上述要求，本论文所设计的补强板的结构为厚度为1012mm的三角形 补强板，其直角边长不少于150mm8。1 v/m以下为209T型构架的结构I WM图3-1 209T外侧补强板结构图3-2 209T内侧水平补强板Fig.3-1 209T outside reinf

49、orcement rib structure Fig.3-2 209T inside reinforcement rib structure209T外侧结构参数：边长：100mm,补强板厚度：12mm。大圆弧半径： 120mm,小圆弧半径：50mm。209T内侧结构参数：边长：150mm,补强板厚度：12mm。大圆弧半径: 120mm,小圆弧半径：15mm。209P型转向架构架结构补强方案：15北京交通大学硕士学位论文3构架结构补强方案的研究与确定图3-3 209P内侧补强板图34 209P外侧补强板#U5*s：Fig.3-3 209P inside reinforcement rib str

50、ucture. Fig.3-4 209P outside reinforcement rib structure-at f图3-5 209P补强方案之一 Fig 3-5 One of proposals of 209P reinforcement structure上述补强筋板的结构参数列于下表中：r v/m零-表3-1 209T及209P型构架补强筋板基本结构尺寸mmTable 3-1 Dimensions of reinforcement rib of209T and 209P mm边长厚度大圆弧半径小圆弧半径209T内侧补强板1501212015209T外侧补强板100121205020

51、9P内侧补强板1501212015209P外侧补强板1201211015北京交通大学硕士学位论文3构架结构补强方案的研究与确定3.2 209T型构架补强方案根据上述的补强结构计算构架的应力幅值，计算工况参照UIC5154标准， 根据本论文第二章中第四节中的介绍，分别计算13种工况下的应力幅值，将计 算所得任意两个工况下应力差之半与和制动载荷引起的应力相叠加，即可得到整 个构架及其吊座的动应力幅值，以此来表征疲劳载荷作用下构架的响应。经过计算发现第10工况和第13工况下的应力幅值差最大，也是最容易发生 疲劳破坏的工况。以下是经过补强的各个方案的应力幅值结果： 方案一：构架内侧加四个补强筋板图34

52、构架横梁顶侧应力幅值云图图3-7构架横侧梁连接部Z方向应力幅值Fig 3-6 Bogie frame crossbeam Von Mises stress Fig 3-7 Stress in Z direction of bogie frame图3-8构架整体应力幅值云图图3-9构架外侧受应力幅值云图Fig 3-8 Stress of whole bogie frameFig 3-9 Stress outside of bogie frame方案二：根据第二章节的有关内容计算13种工况下的应力叠加后的结果如下：19 图3-10外侧补强筋板应力幅值 Fig 3-10 Stress of outs

53、ide reinforcement rib图3-11内侧补强筋板应力幅值 Fig 3-11 Stress of inside reinforcement rib图3-13构架整体受应力幅值Fig.3-12 Average stress on top of bogie crossbeam Fig.3-13 Stress of whole bogie frame图3-12构架平均应力云图 方案三：在构架内外侧均加补强板，共8个筋板，在侧梁的下盖板上垂直于下盖 板加补强筋板。 图3-14侧梁下盖板（外侧）的补强筋板 Fig.3-14 Reinforcement rib on the side bea

54、m 图3-15侧梁下盖板（内侧）的补强筋板 Fig.3-15 Reinforcement rib on the side beam北京交通大学硕士学位论文3构架结构补强方案的研究与确定图3-16构架内侧筋板筋板应力幅值图3-17构架外侧筋板应力幅值Fig.3-16 Stress of rib inside of bogie frame Fig.3-17 Amplitude stress of rib outside of frame图3-18构架外侧筋板应力幅值图3-19构架横梁顶部应力幅值Fig.3-18 Amplitude Stress of rib outside bogie frame

55、 Fig.3-19 Stress on top of crossbeam of frame图3-20构架整体受应力幅值 Fig.3-20 Amplitude stress of whole bogie frame北京交通大学硕士学位论文3构架结构补强方案的研究与确定方案四：在构架内侧加补强筋板，外侧不加筋板，在侧梁下盖板处垂直补加筋板li图3-21构架内侧板应力云图图3-22垂直补强板应力云图Fig.3-21 Stress of rib inside of bogie frame Fig.3-22 Stress of vertical rib in bogie frame图3-23构架整体受应

56、力幅值图3-24横梁外侧平均应力Fig.3-23 Amplitude stress of bogie frame Fig.3-24 Average stress of outside of bogie frame方案五：构架内侧加四个补强筋板，横梁内侧垂直下盖板补加筋扳，构架外侧在横梁上补加弯曲筋板。图3-25侧梁外侧弯曲筋板图3-26构架外侧横侧梁连接部应力幅值Fig.3-25 Structure of curved rib outside of beam Fig.3-26 Stress outside of junction of frame15北京交通大学硕士学位论文3构架结构补强方案的

57、研究与确定图3-27构架内侧筋板应力幅值图3-28横梁外侧平均应力Fig.3-27Amplitude stress of rib inside of frame Fig.3-28 Average stress outside of bogie frame图3-29构架整体受应力幅值 Fig.3-29 Amplitude stress of whole bogie frame将上述五种补强结构模拟运行工况计算所得的应力幅值结果列于下表4-2 中，以便进行对比分析，选出最优方案。表3-2 209T原结构及其补强结构应力幅值MPaTable.3-2 The 209T original and rei

58、nforcement structure stress横侧梁连 接部内侧 焊缝应力 幅值横侧梁横侧梁横侧梁焊缝部 位Sz方 向的应 力模型模型特征连接部 内侧焊 缝平均最大应 力幅值连接部 外侧焊 缝应力连接部 外侧焊 缝平均应力幅值应力原结构/62.3712.837112.3574.9125.67577.903方案一内侧加四个 补强板49.348.268110.9974.0125.68379.037北京交通大学硕士学位论文3构架结构补强方案的研究与确定续表3-2 209T原结构及其补强结构应力幅值 MPaTable.3-2 The 209T original and reinforcemen

59、t structure stress方案二内外侧加补 强板49.9820.12108.7134.3825.6331.49方案三内外侧加补 强筋板，侧梁 的下盖板上 垂直于下盖 板加补强板48.557.872109.2136.4248.5547.78方案四内测加补强 筋板，外侧不 加筋板，在侧 梁下盖板处 垂直加补强 板49.129.825110.47959.5220.3572.11方案五内侧加四个 补强筋板，横 梁内侧垂直 下盖板补加 筋板，构架外 侧在横梁上 加弯曲补强 筋扳48.70110.87109.53648.70125.05541.12将以上各个方案的焊缝部位的应力按照应力幅值_平均

60、应力点入Haigh形式 的Goodman曲线内，以评估各个方案是否满足疲劳强度要求。其结果如图所示：50 100 150 200A A15070 50图3-32各方案Goodman曲线图 Fig.3-32 Each proposal stress in Goodman curve结合图3-32所示，方案一虽然内侧焊缝应力较原结构有所降低，但是由于外侧没有进行补强，横梁外侧焊缝处不满足疲劳强度要求，因此方案一不能采用。方案四：横梁外侧焊缝处Z方向的点在Goodman曲线外部，而且垂直侧梁的筋板处形成应力集中，不能满足疲劳强度要求；方案五：弯曲筋板处Z方向应力 值不能满足疲劳强度要求；方案三与方案

61、二均满足疲劳强度要求，但是方案三过 于复杂，从结构优化的角度，选择方案二。3.3 209P型构架补强方案类似于209T的构架计算，209P构架也是根据关于13种工况下的应力叠加。 其计算结果如下：方案一：在构架内侧横侧梁连接部补加四块补强筋板。图3-33构架内侧横侧梁连接部应力幅值 图3-34构架外侧横侧梁未焊接筋板处 Fig.3-33 Stress of rib inside of bogie frame Fig.3-34 Stress of not welding rib outside of frame图3-35横梁外侧平均应力图3-36构架整体应力幅值Fig.3-35 Average stress outside of bogie frame.Fig. 3-36 Amplitude stress of whole of bogie frame方案二 ：构架内外侧共补加8块三角形补强筋板。下图为按照UIC5154标准计算模 拟工况下的最大应力幅值：29/ ,/I图3-37构架外侧补强筋板应力云图 Fig.3-37 Stress of rib outside of