考虑不同辐板的城市轨道车轮热力耦合特性研究

以城市轨道交通车轮为研究对象,建立了三种典型辐板型式(直辐板、单S型辐板和双S型辐板)的轨道车轮模型,研究了轨道车轮结构载荷和热载荷的计算方法,重点比较了这三种辐板型式轨道车轮在不同磨耗下的热力耦合特性,获得了热力耦合条件下的不同辐板类型轨道车轮的耦合应力特性,利用Goodman疲劳极限图对三种辐板型式轨道车轮疲劳强度校核。结果表明:三种辐板型式的轨道车轮均满足疲劳强度要求;双S型辐板车轮较直辐板车轮和单S型辐板车轮在耦合场中具有较好的抗疲劳性。     

川藏铁路线路条件下基于热-机耦合的货车车轮辐板优化*

针对川藏铁路线路货运车辆下坡区段长时间制动导致的车轮热负荷大幅增加和车轮辐板疲劳问题,考虑热-机耦合效应,采用正交试验法对现有C_(70)型敞车HESA型车轮辐板进行优化设计。试验选定轮辋与辐板过渡两侧倾角、辐板与轮毂过渡两侧倾角、辐板上部厚度、辐板下部厚度作为优化因素,依据车轮实际运维要求将辐板疲劳强度、车轮质量、辐板静强度列为优化目标。按照UIC510-5规程直线工况所确定的机械载荷工况,采用货车匀速通过超长连续大坡度区段踏面制动下车轮瞬态热载荷工况,对3种优化车轮辐板进行静强度校核与疲劳强度校核,并对比得到最优车轮辐板外形。结果表明:3种优化车轮辐板均满足静强度条件,其中辐板静强度最佳组合方案有效改善机械载荷下车轮辐板等效应力;3种优化车轮辐板均满足疲劳强度条件,其中疲劳强度最优组合方案有效改善热-机耦合载荷下车轮辐板疲劳强度。     

径向激励下辐板型式对车轮振动声辐射影响仿真和试验研究

在半消声室内通过试验手段开展不同车轮辐板型式对车轮声辐射影响的试验研究,同时建立车轮有限元模型,基于Lanzos算法对其进行模态分析,结合仿真计算的模态振型和试验结果,对比分析3种辐板型式地铁车轮振动声辐射特性,获得精确的指向性测试结果并近似给出相应的经验公式。结果表明,通过仿真计算和试验得到的固有频率相差很小,通过有限元计算对车轮进行模态分析能够保证足够的精确度。径向激励下,车轮辐板型式改变,其固有频率、模态振型以及指向性均发生改变;斜曲型辐板和双S型辐板车轮的振动声辐射水平相当,双S型辐板车轮的声辐射水平比斜曲型辐板车轮的略大,而直型辐板车轮的振动声辐射水平最低,其总辐射声能量级比斜曲型辐板车轮和双S型辐板车轮分别小5.2 dB和6.5 dB。相关试验结果可为城市轨道交通低噪声车轮的设计和选型提供参考,也可以验证其他文献中数值仿真计算的正确性。     

考虑磨耗及不等厚辐板的轨道车轮振动声辐射特性

为了降低轨道车轮振动的声辐射,以双S型辐板车轮为研究对象,建立了反映磨耗及不等厚辐板的9种城市轨道车轮三维有限元模型,分别获得了车轮在各阶振动模态下的固有频率及结构振型,对比分析了不同车轮的声功率级响应曲线,从而得到车轮在不同磨耗条件及不等厚特征情况下的声辐射水平。研究结果表明：与初始现役车轮相比,辐板上部不等厚车轮在峰值声功率级上降低了13.82 dBA;随着踏面磨耗加深,车轮的噪声逐渐增大;辐板上部不等厚车轮在不同磨耗下的最大声功率级均小于初始现役车轮。     

带式输送机改向滚筒辐板结构的优化设计

在ANSYS环境下基于拓扑优化理论,以结构最小应变能为目标,对带式输送机改向滚筒的辐板进行拓扑优化设计。然后基于拓扑优化结果设计辐板,再对其进行尺寸优化,在减轻结构质量的同时也降低结构挠度和均匀化结构应力,为今后带式输送机滚筒辐板的设计提供了理论上的参考依据。     

城市轨道交通车轮振动声辐射特性

轮轨噪声是城市轨道交通噪声的主要组成部分,而车轮振动声辐射是轮轨噪声的主要声源之一。目前使用的城市轨道交通车轮有多种型式,系统性地比较各种车轮的振动声辐射特性,研究不同参数对车轮振动声辐射的影响。通过数值方法,对五种城市轨道交通车轮的辐射声功率,进行详细比较分析。结果表明,在轮轨等效粗糙度名义滚动圆接触点径向激励下,适当增大辐板厚度和减小车轮的直径,对降低车轮振动声辐射均有积极作用;斜曲型辐板和双S型辐板车轮的振动声辐射水平相当,而直型辐板车轮的振动声辐射水平最低,相比其他两种类型辐板车轮,其总辐射声功率级小8 dB左右。相关计算结果将为城市轨道交通低噪声车轮的设计和选型提供理论参考。     

制动热应力对车轮辐板单轴疲劳影响

随着重载列车的不断发展,辐板的热-机疲劳成为车轮破坏的主要形式。基于Ansys有限元软件,对车轮辐板的制动热应力进行分析,利用单轴疲劳准则和Haigh-Goodman疲劳极限图对车轮辐板进行疲劳评估。分析了制动热应力对车轮辐板单轴疲劳的影响。结果发现:(1)未考虑制动热应力下,新制轮和磨耗轮辐板的各节点的抗疲劳性能均满足要求;制造态残余应力使辐板的疲劳薄弱位置发生了转移;最易发生疲劳的截面为0°、180°和40°～60°。(2)考虑制动热应力下,新制轮和磨耗轮辐板的各节点的抗疲劳性能均满足要求,但是在FPH和BPR处平均应力未能达到安全要求。     

基于双向进化遗传算法的汽车真空泵支架结构拓扑优化设计

基于渐进结构优化算法(ESO)、双向渐进结构优化算法(BESO)及遗传算法(GA),提出了一种新的、用于结构拓扑优化设计的算法:双向进化遗传算法(BGESO)。此算法从待优化的初始结构出发,以结构单元的应变能灵敏度分析为依据,用GA算法来实现新算法的双向进化。同时,使用ANSYS中的APDL参数化编程语言实现了双向进化遗传算法的编程,并将新算法的程序模块化。针对企业现生产的汽车真空泵支架需轻量化的技术要求,对支架进行了拓扑优化设计,依据优化结果,结合支架的加工工艺提出了结构的改进方案,使其质量减少了9.5%,并对新支架结构进行了有限元分析验证,验证结果显示,优化设计后的支架在应力、变形量及模态方面都满足其使用要求。。     

地铁车辆全磨耗车轮辐板的疲劳强度研究

地铁车辆车轮在运营过程中,受其自身转动及在直线、曲线、道岔等工况下的交变载荷,会产生车轮辐板的多轴交变应力。在轨道车辆车轮辐板上,疲劳裂纹方向均沿车轮的周向方向呈现,该种疲劳裂纹是由与该裂纹垂直的径向应力为主要原因所致,则将多轴应力转化为单轴应力。参照相关标准,对地铁车辆全磨耗车轮辐板进行了应力计算和疲劳分析。结果表明,车轮辐板均满足静强度要求和疲劳轻度要求。根据分析情况,为地铁车辆车轮的日常检修的重点部位提供了参考依据。     

航空高速直齿圆柱齿轮中的离心应力及其回归分析

本文运用三维有限元法研究了航空高速直齿圆柱齿轮中的离心应力场。计算模型取完整齿轮结构中的一个扇形段,根据作者提出的伪单元法引入循环对称条件考虑移去部分对扇形段结构的作用。讨论了航空高速齿轮中常用的三种辐板(直辐板、斜辐板和一端直辐板)支承形式以及轮缘和轮辐尺寸对齿轮齿根离心应力的影响。数值计算表明,直齿轮中的齿根离心应力及径向和轴向位移与齿轮的转速平方成正比。采用二次回归方法得出了直齿轮齿根离心应力计算系数随轮缘和轮辐尺寸变化的计算公式。从而为全面研究直齿轮中的离心应力提供了一个有效途径。     

基于单元应力选择的BESO算法及其应用研究

针对变密度法和渐进结构优化法的缺点,提出了一种基于单元应力选择的双向渐进结构优化法。利用APDL语言对ANSYS单元的删除和添加功能进行二次开发,通过删除和添加单元,得到满足目标体积的拓扑结构,在此基础上,按照应变能水平高低,在保证体积不变的前提下,进一步恢复和删除单元,得到最优的拓扑结构。该方法综合考虑了结构体积的变化和单元的应力水平,避免了经验计算和振荡现象,有效提高了优化质量和计算效率。文中给出了算法的基本原理和步骤,并以TBT-ML500深孔钻床刀杆箱为研究对象,对其进行了拓扑优化和重构设计。结果表明,优化后刀杆箱的应力和变形量均降低,同时整体质量减少了9.26%,实现了刀杆箱的刚度最大化,同时也验证了该算法的有效性。     

基于有限元-边界元法的不同辐板型式车轮振动声辐射分析

为了深入研究车轮辐板外形变化对车轮振动声辐射噪声的影响,利用有限元计算方法进行直辐板和曲辐板两种类型车轮的模态计算及谐响应分析,再采用声学边界元软件建立边界元模型,进而计算得出不同辐板外形车轮受单位的法向力作用时的声辐射功率。通过计算发现直辐板车轮比曲辐板车轮噪声水平更低,合理的车轮截面形状能够显著降低车轮振动声辐射噪声。通过某型车拖车车轮声辐射计算结果与实验室试验结果的对比,结果表明车轮在各频率下最大噪声值误差约为3%、模态密集区域的主要频率最大误差在2%以内,仿真结果较为准确。     

重载货车车轮踏面制动辐板热应力分析

采用大轴重货车是解决我国铁路货运能力不足的主要途径之一,然而提高轴重意味着车轮踏面所受的制动热负载将会增大,这可能导致大轴重货车车轮辐板热损伤加剧。因此,有必要通过对不同轴重车轮热应力的对比分析,揭示轴重大小对车轮辐板损伤的影响规律,为制定大轴重货车运行和制动条件提供支持。提出研究此问题的新思路,采用热弹塑性有限单元法,模拟在热处理工艺过程中车轮辐板残余应力分布状况,使得车轮存在仿真制动工况所需的初始残余应力。对重载运煤专线—大秦线全程循环制动进行模拟,计算得到车轮制动功率—时间历程,仿真在此工况下30 t重载货车车轮辐板的温度场和热应力场的分布状况。计算比较21 t、25 t和30 t轴重货车车轮在大秦线全程循环制动中热应力和制动完全结束后的残余应力的变化规律。结果表明,车轮在热处理后,车轮辐板残余应力是不可忽视的。随着轴重的增大,车轮辐板将承受更大的热应力和残余应力。     

不同轮轨粗糙度激励下辐板安装式刹车盘对地铁车轮声辐射特性的影响

研究在不同轮轨联合粗糙度激励下,辐板安装式刹车盘对地铁车轮声辐射特性的影响.在数值计算中,首先根据地铁车轮的实际尺寸建立其三维实体有限元模型,基于分块兰索斯法计算其固有频率特性,基于模态叠加法计算车轮有无辐板安装式刹车盘时在轮轨名义接触点处四种典型轮轨联合粗糙度激励下的动态响应.然后由其振动结果,生成声学网格的速度边界条件,利用声学边界元法计算车轮的声辐射特征.讨论并比较在各种不同轮轨联合粗糙度激励下,在车轮显著共振峰处,辐板安装式刹车盘对车轮辐板轴向振动和车轮辐射声功率的影响.并结合辐射声场云图、声辐射指向性图,讨论辐板安装式刹车盘对车轮轴向辐射声场指向性的影响.结果表明,原车轮声辐射主要来自车轮辐板轴向贡献;在不同轮轨联合粗糙度激励下,刹车盘均能很好地抑制辐板的轴向振动并起到辐板声屏障的作用,从而对车轮的直线滚动噪声有良好的抑制作用.     

基于FEA的车轮结构形状优化设计

为了更好地指导车轮结构设计,采用UG三维造型软件建立3种常见轮辐结构的车轮模型,并采用有限元分析方法对几种车轮模型在冲击试验和弯曲试验中的应力分布及强度性能进行了分析,对冲击试验利用响应分析模块进行分析,对弯曲试验进行旋转弯矩下的分析.比较3种结构的分析结果,从应力分布及应力集中强度等方面,分析讨论了车轮轮辐结构的设计原则与方向,得出直辐条背面有掏料的车轮结构更适合承受弯曲载荷,以及曲辐条车轮结构更适合承受冲击栽荷的结论.     

基于应力突变率的双向进化结构优化方法

提出了一种新的基于应力突变率的双向进化结构优化方法,以进化优化过程中一次删除或添加单元后,新旧拓扑结构的应力突变率作为添加单元的准则,实现了线弹性结构的拓扑优化设计.方法易于实现并改进了传统双向进化结构优化方法中参数较多的缺点.算例表明:基于应力突变率的双向进化结构优化方法可以得到结构合理、边界清晰的拓扑优化构形,并且具有更好的全局寻优能力.     

航空薄辐齿轮辐板的抗疲劳设计

对航空薄辐齿轮辐板抗疲劳设计方法进行了探讨。给出了薄辐齿轮辐板应力谱的确定、有限元应力分析及疲劳寿命估算过程中的有关处理方法。分析结果与试验结果的对比表明，本文给出的薄辐齿轮的抗疲劳设计方法是有效的。     

关于TDJ50型带式输送机滚筒结构优化研究

滚筒作为带式输送机中的关键部件,保证其结构具有较高性能,对提高带式输送机的生产效率至关重要.因此,以TDJ50型输送机滚筒为研究对象,开展了滚筒在不同工况下性能研究.滚筒的应力分析结果显示:最大等效应力出现在辐板与筒壳的焊缝处,存在一定的结构隐患.结合滚筒结构的拓扑优化研究,得到滚筒结构优化三条优化改进意见.     

基于Ansys的带式输送机滚筒辐板的优化设计

针对滚筒辐板的结构设计依靠经验、缺乏理论指导、质量过大、材料浪费严重的问题,采用了Ansys拓扑优化设计方法,基于拓扑优化设计流程对于滚筒模型进行了处理,最终确定了可去除辐板横截面右上角等区域内的材料,获得了辐板的结构形式。这种方法有助于在保证滚筒性能要求的前提下,降低滚筒质量,也为可能的尺寸优化、形貌优化提供了基础,为滚筒其他零部件的设计提供了思路。     

采用代理模型的汽车铝合金轮毂优化设计

提出基于神经网络代理模型的汽车铝合金轮毂优化方法.对铝合金轮毂的两种工况开展静力学分析,结果表明相比正对辐条加载,正对窗口加载时轮毂的受力状态更加恶劣,不同加载方式应力都集中于外侧轮辐与辐板连接处附近.设计并实施静力学试验,验证有限元分析的准确性.基于静力学分析结果,提出分层递进的轮毂轮辐优化方法,通过正交试验设计、神经网络代理构建和遗传算法寻优,实施轮辐尺寸优化、轮辐截面形状优化、轮辐圆角优化,最后对结构进行加强优化.与最初模型相比,优化后轮毂重量下降1.91％,正对辐条加载位移下降11.01％,最大应力下降7.54％,正对窗口加载最大位移下降10.79％,最大应力下降20.79％,轮毂力学性能有了较大幅度提高,同时达到了轻量化的目的 .本文提出的优化策略可为轮毂结构优化提供有益参考.