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CN108710768B - 一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法及装置 - Google Patents

一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法及装置，本发明方法步骤包括建立不包含弹性减振元件的三维实体装配模型，导入有限元软件生成仿真模型并完成附加材料属性、建立分析步、网格划分和单元属性设置，在仿真模型中应用减振单元替代弹性减振元件并建立对应的连接关系；施加载荷和边界约束条件，进行系统刚度分析计算，利用有限元软件的结果后处理功能提取加载参考点的力和位移，得到轨道车辆转向架牵引装置的系统刚度曲线。本发明通过用减振单元替代弹性减振元件，简化了牵引装置的仿真模型，在考虑弹性减振元件各向刚度的对系统刚度影响的基础上，能够高效、准确地计算出牵引装置非线性系统刚度结果。

Description

一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法及装置
技术领域
本发明涉及轨道车辆转向架牵引装置，具体涉及一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法及装置。
背景技术
牵引装置是连接转向架和车体的关键部件，它能将轮轨间相互作用产生的牵引力或由制动装置产生的制动力传递到车体，使列车实现牵引和制动。牵引装置系统刚度的设计是否合理直接关系到牵引力和制动力的传递品质，对列车运行的整体动力性能有重要影响。
地铁转向架牵引装置一般由多个弹性减振元件和金属部件组装而成，其系统刚度是一种由各个弹性减振元件的各向刚度组合而成的复合刚度。常规的牵引装置系统刚度计算方法有两种，即解析法和整体模型有限元分析法。1、解析法是通过建立牵引装置系统刚度的解析公式进行系统刚度计算的方法。该方法一般将弹性减振元件的刚度假定为线性的，因此不能计算系统的非线性刚度，同时为了降低解析公式的复杂性，提高可求解性，在解析公式中忽略了一些对系统刚度影响较小的弹性减振元件刚度，因此计算结果存在一定误差。2、整体模型有限元分析法是在建立包含多个弹性减振元件、金属部件的系统模型基础上，通过有限元分析得到整体的系统刚度。整体模型的网格规模较大，计算时间长，同时由于弹性减振元件的分析存在计算收敛问题，因此有可能得不到有效的刚度计算结果。如果改变了弹性减振元件的结构和刚度要求，需要对整个模型进行修改并重新进行分析，因此计算效率较低。仿真计算得到的弹性减振元件各向刚度与产品实际一般都存在一定的偏差，这些偏差的积累会导致系统刚度计算结果的精度偏低。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法及装置，本发明通过用减振单元替代弹性减振元件，简化了牵引装置的仿真模型，在考虑弹性减振元件各向刚度的对系统刚度影响的基础上，能够高效、准确地计算出牵引装置非线性系统刚度结果。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法，实施步骤包括：
1）应用三维实体建模软件建立轨道车辆转向架牵引装置的三维实体装配模型，且所述轨道车辆转向架牵引装置的三维实体装配模型中不包含弹性减振元件；
2）将三维实体装配模型导入有限元软件生成轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型，并完成附加材料属性、建立分析步、网格划分和单元属性设置；
3）在轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中应用减振单元替代轨道车辆转向架牵引装置中的弹性减振元件，并与轨道车辆转向架牵引装置建立对应的连接关系；
4）在轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中施加载荷和边界约束条件，进行系统刚度分析计算，利用有限元软件的结果后处理功能提取加载参考点的力和位移，得到轨道车辆转向架牵引装置的系统刚度曲线。
优选地，步骤2）将三维实体装配模型导入有限元软件具体是指：将三维实体装配模型转换为有限元软件可导入的中性格式文件，将三维实体装配模型的中性格式文件导入有限元软件。
优选地，步骤2）中的有限元软件具体是指abaqus软件。
优选地，步骤3）的详细步骤包括：
3.1）针对轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中的球铰类弹性减振元件，首先在球铰的中心位置建立两个参考点，接着在两个参考点之间建立模拟弹性减振元件的减振单元，并在单元属性中设定球铰的各向线性或非线性刚度，然后将其中一个参考点与牵引装置中的球铰安装孔耦合，如果球铰芯轴与牵引装置的其它部件装配在一起，另一个参考点与芯轴的安装面耦合，否则该参考点作为边界条件加载点；
3.2）针对轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中的橡胶堆类弹性减振元件，首先分别在橡胶堆上下端面的中心位置建立两个参考点，接着在两个参考点之间建立模拟弹性减振元件的减振单元，并在单元属性中设定橡胶堆的各向线性或非线性刚度，然后将参考点与牵引装置中对应的橡胶堆安装面耦合，如果橡胶堆的某一端面与牵引装置没有装配关系，该端面中心位置的参考点作为边界条件加载点。
本发明还提供 一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算装置，包括计算机系统，该计算机系统被编程以执行本发明轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法的步骤。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明所涉及的系统刚度计算方法，在仿真模型中去除了牵引装置的弹性减振元件，降低了仿真模型的网格规模，避免了由弹性减振元件所造成的分析收敛困难问题，提高了系统刚度计算的稳定性和效率。
2、本发明所涉及的系统刚度计算方法，采用减振单元替代弹性减振元件，并在单元属性中设定弹性减振元件的各向刚度，在系统刚度计算过程能够考虑牵引装置中各个弹性减振元件的各向刚度对系统刚度的影响，提升了计算精度。
3、本发明所涉及的系统刚度计算方法，可以在减振单元属性中设定弹性减振元件的非线性刚度，刚度值可以是设计要求值，也可以是弹性减振元件的试验测试结果，能够得到系统的非线性刚度，更加符合产品实际。
4、本发明所涉及的系统刚度计算方法，可以通过改变减振单元的属性来实现弹性减振元件的刚度变化，不需要对分析模型进行修改，缩短了分析周期，能够加快产品的设计速度，降低研发及试验费用。
附图说明
图1为现有的中心销板式牵引装置的结构示意图。
图2 为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图3为本发明实施例中建立的中心牵引座三维实体装配模型。
图4本发明实施例中使用减振单元模拟弹性减振元件的示意图
图5本发明实施例中得到的中心板式牵引装置的非线性刚度曲线图。
具体实施方式
下文将以图1所示现有的中心销板式牵引装置为例，对本发明轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法及装置进行进一步的详细说明。如图1所示，中心销板式牵引装置的弹性减振元件包含两个横向止挡1、四个牵引橡胶堆2、一个中心牵引球铰3，这些弹性减振元件安装在中心牵引座4上，组成中心销板式牵引装置。
如图2所示，本实施例轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法的实施步骤包括：
1）应用三维实体建模软件建立轨道车辆转向架牵引装置的三维实体装配模型（如图3所示），且所述轨道车辆转向架牵引装置的三维实体装配模型中不包含弹性减振元件；
2）将三维实体装配模型导入有限元软件生成轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型，并完成附加材料属性、建立分析步、网格划分和单元属性设置；
3）在轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中应用减振单元替代轨道车辆转向架牵引装置中的弹性减振元件，并与轨道车辆转向架牵引装置建立对应的连接关系；
4）在轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中施加载荷和边界约束条件，进行系统刚度分析计算，利用有限元软件的结果后处理功能提取加载参考点的力和位移，得到轨道车辆转向架牵引装置的系统刚度曲线。
本实施例中，步骤2）将三维实体装配模型导入有限元软件具体是指：将三维实体装配模型转换为有限元软件可导入的中性格式文件，将三维实体装配模型的中性格式文件导入有限元软件。
本实施例中，步骤2）中的有限元软件具体是指abaqus软件。
本实施例中，步骤3）的详细步骤包括：
3.1）针对轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中的球铰类弹性减振元件，首先在球铰的中心位置建立两个参考点，接着在两个参考点之间建立模拟弹性减振元件的减振单元，并在单元属性中设定球铰的各向线性或非线性刚度，然后将其中一个参考点与牵引装置中的球铰安装孔耦合，如果球铰芯轴与牵引装置的其它部件装配在一起，另一个参考点与芯轴的安装面耦合，否则该参考点作为边界条件加载点；
3.2）针对轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中的橡胶堆类弹性减振元件，首先分别在橡胶堆上下端面的中心位置建立两个参考点，接着在两个参考点之间建立模拟弹性减振元件的减振单元，并在单元属性中设定橡胶堆的各向线性或非线性刚度，然后将参考点与牵引装置中对应的橡胶堆安装面耦合，如果橡胶堆的某一端面与牵引装置没有装配关系，该端面中心位置的参考点作为边界条件加载点。
如图4所示，（a）对中心牵引球铰，首先在中心牵引座的球铰安装中心位置建立两个参考点，参考点名称为1-1，1-2；接着在这两个参考点之间建立减振单元1，并在单元属性中设定球铰的六个方向的线性或非线性刚度，刚度值可以是设计值，也可以是试验测试结果；然后将参考点1-1与中心牵引座的牵引球铰安装孔耦合，参考点1-2作为加载点。（b）对牵引橡胶堆，首先在中心牵引座的牵引橡胶堆安装面的中心位置建立一个参考点，以该参考点为基准，沿橡胶堆高度方向上定义另一个参考点，参考点名称为2-1，2-2；接着在这两个参考点之间建立减振单元2，并在单元属性中设定橡胶堆的三个方向平动的线性或非线性刚度，刚度值可以是设计值，也可以是试验测试结果；然后将参考点2-1与中心牵引座的牵引橡胶堆安装面耦合，参考点2-2作为边界条件约束点。由于牵引橡胶堆的个数为4个，因此共生成8个参考点，分别定义为2-1，2-2，3-1，3-2，4-1，4-2，5-1，5-2，建立4个减振单元2、3、4、5。（c）对横向止挡，首先在中心牵引座的横向止挡安装面的中心位置建立一个参考点，以该参考点为基准，沿止挡高度方向上定义另一个参考点，参考点名称为6-1，6-2；接着在这两个参考点之间建立减振单元，并在单元属性中设定止挡的线性或非线性刚度，刚度值可以是设计值，也可以是试验测试结果；然后将参考点6-1与中心牵引座的横向止挡安装面耦合，参考点6-2作为边界条件约束点。由于止挡的个数为2个，因此共生成4个参考点，分别定义为6-1，6-2，7-1，7-2，建立2个减振单元6、7。最终，步骤4）在轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中施加载荷和边界约束条件时，具体是指将参考点1-1、2-1，3-1，4-1，5-1，6-1，7-1分别与弹性减振元件在中心牵引座的对应安装面耦合后，将参考点2-2、3-2、4-2、5-2、6-2、7-2完全约束，在参考点1-2上施加Y向载荷或位移，进行中心销板式牵引装置的横向系统刚度计算，利用Abauqs的后处理功能，建立参考点1-2的力和位移输出设置，得到如图5所示牵引装置横向刚度曲线；在参考点1-2上施加其它方向载荷或位移，可以计算出中心销板式牵引装置其它方向的系统刚度。
需要说明的是，本发明轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法及装置并不局限于特定的轨道车辆转向架牵引装置结构，通过用减振单元替代弹性减振元件，可以简化各种轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型，在考虑弹性减振元件各向刚度的对系统刚度影响的基础上，同样能够高效、准确地计算出牵引装置非线性系统刚度结果。此外，本实施例还提供一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算装置，包括计算机系统，该计算机系统被编程以执行本实施例轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法，其特征在于实施步骤包括：
1）应用三维实体建模软件建立轨道车辆转向架牵引装置的三维实体装配模型，且所述轨道车辆转向架牵引装置的三维实体装配模型中不包含弹性减振元件；
2）将三维实体装配模型导入有限元软件生成轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型，并完成附加材料属性、建立分析步、网格划分和单元属性设置；
3）在轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中应用减振单元替代轨道车辆转向架牵引装置中的弹性减振元件，并与轨道车辆转向架牵引装置建立对应的连接关系；
4）在轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中施加载荷和边界约束条件，进行系统刚度分析计算，利用有限元软件的结果后处理功能提取加载参考点的力和位移，得到轨道车辆转向架牵引装置的系统刚度曲线；
步骤3）的详细步骤包括：
3.1）针对轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中的球铰类弹性减振元件，首先在球铰的中心位置建立两个参考点，接着在两个参考点之间建立模拟弹性减振元件的减振单元，并在单元属性中设定球铰的各向线性或非线性刚度，然后将其中一个参考点与牵引装置中的球铰安装孔耦合，如果球铰芯轴与牵引装置的其它部件装配在一起，另一个参考点与芯轴的安装面耦合，否则该参考点作为边界条件加载点；
3.2）针对轨道车辆转向架牵引装置的仿真模型中的橡胶堆类弹性减振元件，首先分别在橡胶堆上下端面的中心位置建立两个参考点，接着在两个参考点之间建立模拟弹性减振元件的减振单元，并在单元属性中设定橡胶堆的各向线性或非线性刚度，然后将参考点与牵引装置中对应的橡胶堆安装面耦合，如果橡胶堆的某一端面与牵引装置没有装配关系，该端面中心位置的参考点作为边界条件加载点。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法，其特征在于，步骤2）将三维实体装配模型导入有限元软件具体是指：将三维实体装配模型转换为有限元软件可导入的中性格式文件，将三维实体装配模型的中性格式文件导入有限元软件。
3.根据权利要求1所述的轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法，其特征在于，步骤2）中的有限元软件具体是指abaqus软件。
4.一种轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算装置，包括计算机系统，其特征在于：所述计算机系统被编程以执行权利要求1～3中任意一项所述轨道车辆转向架牵引装置系统刚度的计算方法的步骤。
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