第八章第八章 车辆结构强度车辆结构强度设计与分析设计与分析结构的强度计算，一般包括三个结构的强度计算，一般包括三个主要问题：主要问题： 1.结构承受的结构承受的作用载荷作用载荷的分析；的分析；2.确定由于作用载荷在车辆结构中产生的确定由于作用载荷在车辆结构中产生的应应力和变形力和变形，必要时应校核结构的稳定性；，必要时应校核结构的稳定性；3.确定结构在保证运输安全及耐久性的条件确定结构在保证运输安全及耐久性的条件下，下，许用应力、刚度和疲劳评估方法许用应力、刚度和疲劳评估方法轨道车辆结构强度分析的内涵：n（1）承受使用期间可能出现的各种载荷与变形，并具有良好的工作性能n（2）在正常维修和保养条件下，具有足够的运用耐久性n（3）在偶然事件（如脱轨、撞击等）发生时，能保持必需的整体结构稳定性工作适用性、使用耐久性、事故安全性工作适用性、使用耐久性、事故安全性轨道车辆结构强度问题反映在以下几个方面：n（1）结构静力破坏如零部件破坏，碰撞破坏n（2）疲劳失效耐久性差造成的n（3）结构动态特性设计不良引起的共振轻则导致动力性能恶化，重则引起结构因剧烈振动而遭损伤甚至毁坏n（4）难以预测的意外事故引起的结构失效。
四种分析类型：静强度（刚度）分析；疲劳强度静强度（刚度）分析；疲劳强度分析；模态分析；耐撞击安全防护设计与分析分析；模态分析；耐撞击安全防护设计与分析第一节第一节 作用在车辆上的载荷作用在车辆上的载荷1.一般情况应考虑的作用载荷（或力）一般情况应考虑的作用载荷（或力）（1）垂向静载荷（2）垂向动载荷（3）侧向力（4）纵向冲击力及由它所产生的惯性力（5）制动力和制动产生的惯性力（6）车辆通过曲线时所受的钢轨横向作用力（7）修车时加于车辆上的载荷（8）扭转载荷及斜对称载荷2.因车辆用途和结构不同的各种载荷（或力）因车辆用途和结构不同的各种载荷（或力）（1）罐体内压力（2）散装粒状货物的静、动侧压力（3）车辆在机械化装卸时所受的力3.作用载荷（或力）的主要作用方式作用载荷（或力）的主要作用方式（1）垂向方式（2）纵向方式（3）侧向方式（4）自相平衡的力组及斜对称载荷第二节第二节 作用在车体上的载荷作用在车体上的载荷一、垂向静载荷一、垂向静载荷（一）车体自重（二）车辆载重 1.货车载重 2.客车载重 3.整备重量二、垂向动载荷二、垂向动载荷三、侧向力三、侧向力（一）风力（一）风力 2007年2月28日，据新华网来自乌鲁木齐 铁路局的最新消息，在今天凌晨发生的乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车因大风脱轨事故中，已证实3名旅客死亡，2名旅客重伤，32名旅客轻伤，南疆线被迫中断行车。
据乌鲁木齐铁路局介绍，今天凌晨2时05分，5807次旅客列车行至南疆线珍珠泉至红山渠间42公里300米处，因大风造成机后9至19位车辆脱轨 报道说，据测风仪记录，列车脱轨地点瞬间风力达到13级 （二）离心力通过缓和曲线路段时，发生离心力四、扭转载荷四、扭转载荷通过缓和曲线路段时，易发生扭转载荷五、纵向力五、纵向力六、散粒货物的动侧压力六、散粒货物的动侧压力七、罐体的内压力七、罐体的内压力 包括液体蒸发气体的内压力、液力冲击时所产生的压力及所装液体自重引起的静压力高速列车客车车体载荷：高速列车客车车体载荷：二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）（一） 作用在转向架上的载荷作用在转向架上的载荷一、垂向静载荷一、垂向静载荷（一）作用在心盘上的垂向静载荷 1.自上而下法 2.自下而上法（二）作用在转向架任一构件上的垂向静（二）作用在转向架任一构件上的垂向静载荷载荷二、垂向动载荷二、垂向动载荷三、纵向力所引起的附加垂向载荷三、纵向力所引起的附加垂向载荷四、侧向力引起的附加垂向载荷四、侧向力引起的附加垂向载荷1.车辆内外侧轴箱的附加垂向载荷车辆内外侧轴箱的附加垂向载荷(风力、离心力风力、离心力)2.侧架受力侧架受力3.构架受力构架受力五、侧向力及轮轨间作用力所引起的水平五、侧向力及轮轨间作用力所引起的水平载荷载荷（一）转向架在曲线上的三种位置（一）转向架在曲线上的三种位置（二）转向架回转极点的位置（二）转向架回转极点的位置（三）中间位置时转向架的受力分析（三）中间位置时转向架的受力分析1.整个转向架的受力分析整个转向架的受力分析2、轮对的受力分析、轮对的受力分析3、侧架的受力分析、侧架的受力分析4、构架的受力分析、构架的受力分析六、垂向斜对称载荷六、垂向斜对称载荷1、弹簧高度误差引起的垂向斜对称载荷、弹簧高度误差引起的垂向斜对称载荷2、弹簧刚度误差引起的垂向斜对称载荷、弹簧刚度误差引起的垂向斜对称载荷3、垂向斜对称载荷的实际算法、垂向斜对称载荷的实际算法七、制动时的载荷七、制动时的载荷第四节第四节 车辆强度分析车辆强度分析一、车辆按有限元法计算时应考虑的主要问题一、车辆按有限元法计算时应考虑的主要问题（一）合理的确定计算模型（一）合理的确定计算模型（二）正确选用或编制合适的结构分析软件（二）正确选用或编制合适的结构分析软件（三）计算结果的处理（三）计算结果的处理二、计算实例二、计算实例三、车辆上常用材料及许用应力三、车辆上常用材料及许用应力轨道车辆零部件强度设计第第第第1 1节节节节 螺旋弹簧设计螺旋弹簧设计螺旋弹簧设计螺旋弹簧设计第第第第2 2节节节节 轮对轮对轮对轮对强度分析强度分析强度分析强度分析第第第第3 3节节节节 构架强度设计构架强度设计构架强度设计构架强度设计 第第第第4 4节节节节 车体结构设计车体结构设计车体结构设计车体结构设计第1节 悬挂元件设计-螺旋弹簧设计（1）几何参数）几何参数（2）单卷弹簧设计公式）单卷弹簧设计公式（3）双卷弹簧设计双卷弹簧设计公式公式（4）弹簧现代设计）弹簧现代设计D弹簧中径，即螺旋线圆柱直径D2=D+d弹簧外径D1=D-d弹簧内径弹簧的螺旋角，即螺旋线的升角t簧条间距，即螺旋线的节距d簧条直径（mm）H0弹簧的自由高n弹簧的有效圈数，即螺旋线的圈数螺旋线的极角C旋绕比，C=D/d（1）几何参数（2）单卷弹簧设计公式（3）双卷弹簧设计公式采用采用单单级刚度双卷弹簧双卷弹簧代替单卷弹级刚度双卷弹簧双卷弹簧代替单卷弹簧时，为不改变原弹簧的特性，必须满足以下簧时，为不改变原弹簧的特性，必须满足以下条件：双卷弹簧的外卷和内卷的弹簧指数条件：双卷弹簧的外卷和内卷的弹簧指数、应、应力力和和挠度要分别等于单卷弹簧的挠度要分别等于单卷弹簧的相应值相等相应值相等。
即：即：（4）弹簧现代设计A、弹簧、弹簧CAD设计设计B、弹簧有限元分析、弹簧有限元分析C、弹簧优化设计、弹簧优化设计A、弹簧CAD设计1、三三段段直直线线2、三段三段等螺等螺距螺距螺旋线旋线3、一段变螺距螺旋线、一段变螺距螺旋线B、弹簧CAE分析弹簧弹簧CAE设计实例设计实例-转转K2弹弹簧有限元簧有限元分析分析（1）刚度（）刚度（f=mm）（2）强度（）强度（f=47.2mm）C、弹簧优化设计（C）算例算例已知某机车弹簧的相关参数为：已知某机车弹簧的相关参数为：Pst=119.428kN，fst=106.0mm，H0=490mm材料为60Si2CrVAT，许用应力，许用应力=1050MPa4，疲劳，疲劳许用应力许用应力-1=370MPa取机车取弹簧裕度系数取弹簧裕度系数Kvd=0.5，动荷系，动荷系数数Kd=0.255A）Matlab中的中的分析步骤分析步骤1.建立优化模型并转成标准格式建立优化模型并转成标准格式2.生成生成“优化目标函数优化目标函数”m文件文件3.生成生成“优化约束条件优化约束条件”m文件文件4.生成生成“优化求解程序优化求解程序”m文件文件5.执行求解程序执行求解程序。
B）弹簧优化设计数学模型）弹簧优化设计数学模型执行：执行：OPTProg结果：结果：x=50.8034220.93034.7975fval=6.8228e+004第2节 轮对结构强度分析（一）车轮的强度分析（一）车轮的强度分析（二）车轴的强度分析（二）车轴的强度分析（三）轮对分析（三）轮对分析一、车轴的强度分析1 1、车轴强度计算、车轴强度计算、车轴强度计算、车轴强度计算2 2、车轴、车轴、车轴、车轴CAD/CAECAD/CAE分析分析分析分析1、车轴强度计算（1 1）计算载荷）计算载荷）计算载荷）计算载荷（2 2）EN13104EN13104标准标准（3）JISE4501标准标准（4 4）计算方法）计算方法）计算方法）计算方法（1）计算参数各动车组动车车轴强度计算中需要用到的有关技术参数见表2.5 0（2）计算载荷EN13104标准标准JISE4501标准标准车轴承受的载荷主要包括：车轴承受的载荷主要包括：一系悬挂系统传递到轴箱上的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷；一系悬挂系统传递到轴箱上的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷；轮轨接触点作用在车轮上的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷；轮轨接触点作用在车轮上的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷；驱动系统或制动系统产生的载荷。
驱动系统或制动系统产生的载荷EN 13104标准根据欧洲标准根据欧洲标准EN13104对车轴进行计算，加载对车轴进行计算，加载方案如图方案如图5-50所示表表5-16 30NiCrMoV125-16 30NiCrMoV12钢轴不同位置的旋转弯曲疲劳极限钢轴不同位置的旋转弯曲疲劳极限材料材料轴轴身表面身表面带带缺口缺口轴轴身表面身表面轮轮座座压压配合表面配合表面短短轴压轴压配合表面配合表面30NiCrMoV12316 MPa120 MPa175 MPa120 MPaJISE 4501标准日本日本JISE4501铁铁道车辆车轴强度设计方道车辆车轴强度设计方法和法和JISE4502铁道车铁道车辆车轴品质要求辆车轴品质要求（3）计算方法与计算截面在对车在对车轴进行强度轴进行强度校核时一般校核时一般选取车轴直选取车轴直径变化位置径变化位置和有压装配和有压装配合位置截面合位置截面作为危险部作为危险部位，对其进位，对其进行强度校核行强度校核轮座位置、轮座位置、轴颈位置都轴颈位置都要进行重点要进行重点校核车轴强度计算方法采用材料力学或弹性力学理论确定车轴的应力分布车轴强度计算方法采用材料力学或弹性力学理论确定车轴的应力分布。
2、车轴CAD/CAE分析 车轴加工工艺车轴加工工艺车轴加工工艺车轴加工工艺 车轴车轴车轴车轴CADCAD 车轴车轴车轴车轴CAECAE车轴加工工艺利用多刀机床进利用多刀机床进行车轴机械加工的工行车轴机械加工的工艺过程：艺过程：工序工序1是加工端面和是加工端面和中心孔；中心孔；第第2-3工序是粗加工工序是粗加工车轴：车轴：第第4工序加工工序加工a、b、c、d、e、f、g面和面和各轴肩进行加工；各轴肩进行加工；第第5工序加工车轴中工序加工车轴中部，部，第第6工序修整两个顶工序修整两个顶尖孔，同时将轴端车尖孔，同时将轴端车到到290士士0.3mm；第第7工序是粗磨车轴；工序是粗磨车轴；第第8工序是滚压抱轴工序是滚压抱轴瓦部分及与之相邻的瓦部分及与之相邻的轴肩表面轴肩表面车轴CAD车轴CAE分析模型分析结果十字分割线二、车轮的强度分析1、车轮强度分析车轮强度分析的内容的内容2、车轮强度分析载荷工况、车轮强度分析载荷工况3、车轮车轮CAD/CAE分析分析1、车轮强度分析的内容车轮是轮对的重要组成部分，其疲劳强度直接关系到动车轮是轮对的重要组成部分，其疲劳强度直接关系到动车组运行的安全性、可靠性、稳定性等，故动车组车轮需进车组运行的安全性、可靠性、稳定性等，故动车组车轮需进行车轮静强度、动强度和轮轴过盈配合强度等行车轮静强度、动强度和轮轴过盈配合强度等3个方面的分个方面的分析。
析UIC5105/2003整体车轮技术条件整体车轮技术条件EN13979l/2003铁路应用轮对和转向架车轮技术验收铁路应用轮对和转向架车轮技术验收程序第一部分：锻制和轧制车轮程序第一部分：锻制和轧制车轮2、车轮强度分析载荷工况根据根据UIC510-5：2003（整体。