一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法与流程

及轨道车辆转向架，具体来说，尤其涉及一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法。

背景技术：

1、目前国内外对地铁转向架支架的设计形成了初步的设计-仿真-试验-应用的流程，但在设计过程中还存在许多可提升和改善的地方，例如，设计到仿真之间的反复无效修改、仿真与试验结果的联系薄弱、试验载荷输入不能涵盖实际振动环境等问题。

2、地铁线路的近10年运营过程中，按照标准校核设计的支架产品出现疲劳裂纹现象逐渐增多，产生疲劳破环的原因是多样的，行业内也意识到合理有效的随机振动疲劳仿真具备指导实际设计的重要意义。

3、目前存在的随机振动仿真手段指导性不足，且每次仿真验证周期过长，不利于新设计支架的多次优化。仿真输入都是依照标准的加速度功率谱，与中国地铁轨道的实际载荷有较大差异性。同时，还存在设计中未曾考虑到的环节，例如很多支架的设计校核并不关心支架第一阶固有频率，导致一阶固有频率低于100hz，而标准载荷和实测轨道载荷能量主要集中在100hz以内，这就使仿真计算结果，即使在多次优化结构后还是显示损伤偏大。更甚者，实际振动环境主频一般都是在100hz以内分布，存在支架在运营环境条件下产生共振的情况，这就极大增大了疲劳损伤的概率，导致使用寿命急剧缩短。

4、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、为了克服以上问题，本发明旨在提出一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，包括以下步骤：

4、s1、对转向架支架进行有限元建模，得到有限元模型，并通过有限元模型计算转向架支架的模态参数；

5、s2、通过有限元模型计算转向架支架的模态应力；

6、s3、获取转向架支架的模态应力的计算结果，查找预设模态频率以内模态应力的位置；

7、s4、获取转向架支架的材料，根据不同材料设置不同的阻尼比；

8、s5、根据模态应力的位置和不同材料设置不同的阻尼比构建s-n曲线；

9、s6、通过预测设备采集项目路线的振动环境，利用iec61373进行加速度功率谱的归纳，并完成转向支架的设计。

10、可选地，所述对转向架支架进行有限元建模，并计算转向架支架的模态参数包括以下步骤：

11、s11、利用hypermesh建模软件建立有限元模型；

12、s12、基于有限元模型设置模态并计算所需的模态参数，所述模态参数包括模态频率和模态振型；

13、s13、分析模态频率和模态振型，判断模态频率和模态振型是否满足支架模态指标。

14、可选地，所述分析模态频率和模态振型，判断模态频率和模态振型是否满足支架模态指标包括以下步骤：

15、s131、设置转向架支架中模态频率的预设频率，保存大于预设频率的模态频率；

16、s132、根据质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、加速度、速度和位移计算载荷向量；

17、s133、基于载荷向量，计算自由度系统的自由振动方程。

18、可选地，所述载荷向量的计算公式为：

19、

20、式中，[m]为质量矩阵；

21、[c]为阻尼矩阵；

22、[k]为刚度矩阵；

23、为系统的加速度；

24、为系统的速度；

25、{χ}为系统的位移；

26、{f}为载荷向量。

27、可选地，所述计算自由度系统的自由振动方程为：

28、

29、

30、式中：{φ}为位移矢量的幅值；

31、为角频率；

32、[m]为质量矩阵；

33、[k]为刚度矩阵；

34、为系统的加速度；

35、为系统的速度；

36、{χ}为系统的位移；

37、t为时刻。

38、可选地，所述通过有限元模型计算转向架支架的模态应力包括以下步骤：

39、s21、对应力状态进行分析，查找模态应力集中和位移超过预设值的位置；

40、s22、通过调整孔径、板厚及圆滑过渡，对模态应力集中和位移超过预设值的位置进行优化。

41、可选地，所述通过预测设备采集项目路线的振动环境，利用iec61373进行加速度功率谱的归纳包括以下步骤：

42、s61、采集预测设备采集项目路线的振动环境；

43、s62、将振动环境作为随机振动仿真的实测，输入实测归纳谱；

44、s63、根据实测归纳谱，并采用随机振动评估方法计算优化后支架的总疲劳损伤值。

45、可选地，所述根据实测归纳谱，并采用随机振动评估方法计算优化后支架的总疲劳损伤值包括以下步骤：

46、s631、采用miner线性疲劳累计损伤法则计算结构损伤；

47、s632、根据结构损伤，结合s-n曲线计算转向架支架的总疲劳损伤值。

48、可选地，所述结构损伤计算公式为：

49、

50、式中，di为结构损伤；

51、ni为应力水平循环；

52、ni为寿命。

53、可选地，所述总疲劳损伤值计算公式为：

54、

55、式中，d为总疲劳损伤值；

56、ni为应力水平为σai时对应的循环次数；

57、ni为应力水平为σai时对应的寿命；

58、σai为应力谱各级应力水平的幅值；

59、k为应力谱级数；

60、c为与材料有关的常数；

61、m为与材料有关的常数；

62、i为应力谱级。

63、相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

64、1、本发明对支架进行有限元建模，通过根据有限元模型进行模态计算，能够初步判断设计，避免重复计算，不仅缩短了设计周期，节省计算时间，而且精简了设计流程，可以在最短时间内实现支架的初步设计与验证，高效完成支架初步设计。

65、2、本发明通过模态分析，提供了一种时间效率更高的支架设计策略，侧重于提高设计效率，为设计人员节省大量时间成本，同时，后期进行全面分析，以核实设计是否满足要求，保证设计结果的正确性、科学性。

技术特征：

1.一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，该转向架支架设计方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述对转向架支架进行有限元建模，并计算转向架支架的模态参数包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述分析模态频率和模态振型，判断模态频率和模态振型是否满足支架模态指标包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述载荷向量的计算公式为：

5.根据权利要求3所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述计算自由度系统的自由振动方程为：

6.根据权利要求1所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述通过有限元模型计算转向架支架的模态应力包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述通过预测设备采集项目路线的振动环境，利用iec61373进行加速度功率谱的归纳包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述根据实测归纳谱，并采用随机振动评估方法计算优化后支架的总疲劳损伤值包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述结构损伤计算公式为：

10.根据权利要求8所述的一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，其特征在于，所述总疲劳损伤值计算公式为：

技术总结本发明公开了一种基于模态应力和随机振动评估的转向架支架设计方法，用于轨道车辆转向架技术领域，包括以下步骤：对转向架支架进行有限元建模，并通过有限元模型计算转向架支架的模态参数；通过有限元模型计算转向架支架的模态应力；获取转向架支架的模态应力的计算结果，查找预设模态频率以内模态应力的位置；获取转向架支架的材料，根据不同材料设置不同的阻尼比；根据模态应力的位置和不同材料设置不同的阻尼比构建S‑N曲线；通过预测设备采集项目路线的振动环境，利用IEC61373进行加速度功率谱的归纳，并完成转向支架的设计。本发明结合地铁构架线路振动环境、模态应力识别，关键参数指导，设计出符合工程需求的各类转向架支架。技术研发人员：李雨晗,金鑫,王洪雨,薛奔,杨陈,许旭,李龙涛受保护的技术使用者：中车南京浦镇车辆有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/12