摘 要

转向架是轨道车辆结构中的核心部件之一，具有提速、载重、减振、制动等功能，为先进轨道交通装备“重点产品”技术路线中的重要一环，其设计及制造性能、可靠性直接影响着列车的发展。轻量化是高速动车组转向架的主要技术特点，能有效减小轮轨之间的冲击作用。本文以我国“和谐号”CRH1动车组转向架为原型，运用三维建模软件Catia建立模型，通过研究转向架上的构架并对其进行轻量化设计。首先，对转向架进行三维建模，并将其导入有限元分析软件ANSYS，并对其进行超常工况下的垂向载荷和横向载荷两种工况下的仿真分析。其次，针对原有构架过于复杂之处以及仿真分析中所累计应力和应变，对原有结构进行优化设计，模拟主要运营工况载荷情况下的9种工况以及特殊运营工况下的两种工况。最后，对优化方案的构架进行模态分析，截取前六阶模态振型，通过模态分析来保证动车组在运行时的稳定性以及乘客乘坐时的舒适感。在保证转向架强度要求的前提下，本文研究方法能有效减重6.4%。

关键词：动车组转向架 轻量化设计 有限元分析 模态分析

Abstract

The bogie is one of the core components of the rail vehicle structure. It has the functions of speed increase, load carrying, vibration reduction, braking and other functions. It is an important part of the "key product" technology route for advanced rail transit equipment. Its design and manufacturing performance are reliable. Sex directly affects the development of trains. Lightweight is the main technical feature of high-speed EMU bogies, which can effectively reduce the impact between wheel and rail. This article takes the bogie of CRH1 EMU from China as a prototype, establishes a model using three-dimensional modeling software Catia, and studies the bogie frame and designs it lightly. First of all, the three-dimensional modeling of the bogie is carried out, and it is introduced into the finite element analysis software ANSYS, and the simulation analysis is performed under the vertical load and lateral load under the abnormal working conditions. Second, according to the complexity of the original structure and the accumulated stress and strain in the simulation analysis, the original structure is optimized and designed to simulate the 9 operating conditions and the special operating conditions under the main operating conditions. Finally, the modal analysis of the optimization scheme's framework is performed to intercept the first six-order mode shapes, and the modal analysis is used to ensure the stability of the EMU during operation and the comfort of passengers when riding. Under the premise of ensuring the strength requirements of bogies, this research method can effectively reduce weight by 6.4%.

Keywords: EMU bogie lightweight design finite element analysis modal analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2 国内外动车转向架发展概述 2

1.2.1 国外发展现状 2

1.2.2 国内发展现状 5

1.3国内外动车转向架轻量化发展研究现状 5

1.3.1国外发展现状 6

1.3.2 国内发展现状 7

1.4 课题研究思路及内容 7

第二章 CRH1动车转向架构架基本分析 9

2.1 CRH1动车转向架 9

2.2 CRH1动车转向架构架有限元分析 10

2.2.1 构架有限元模型的材料属性 11

2.2.2 构架有限元模型网格划分 11

2.3 CRH1动车转向架构架的基本载荷分析 12

2.3.1 超常工况下的垂向负载 12

2.3.2 超常工况下的横向负载 13

2.4 CRH1转向架有限元分析结果 13

2.5 本章小结 15

第三章 CRH1动车转向架构架优化方案强度及校核分析 16

3.1 CRH1动车转向架构架优化方案的有限元分析 16

3.1.1 构架优化方案有限元模型的建立 16

3.1.2 构架优化方案模型网格划分 17

3.2 CRH1动车转向架构架的基本载荷分析 17

3.2.1 转向架构架超常工况载荷 17

3.2.2 模拟主要运营工况载荷 18

3.2.3 模拟特殊载荷 19

3.3 转向架构架载荷组合工况 19

3.4 构架静强度有限元结果 19

3.4.1 超常工况垂向载荷下的应力云图 23

3.4.2超常工况横向载荷下的应力云图 23

3.4.3 构架静强度分析综合评价 24

第四章 模态分析 25

4.1 模态分析理论概述 25

4.2 构架有限元模态分析 25

4.2.1 模态分析基本方法 25

4.2.2 建立模型及网格划分 25

4.2.3 约束及求解 26

4.2.4 转向架构架模态分析结果 26

4.2.5 模态分析结果分析 29

4.3 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

5.1 研究总结 30

5.2 研究展望 30

参考文献： 31

致谢： 33

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

在全球节能环保的背景下，轻量化成为高铁发展的一个重要方向。高铁轻量化有利于提高高铁在运行时的稳定性，减少列车前进时和制动时的机械阻力；同时高铁轻量化能减少高铁运行时的能量损耗，降低线路的维护保养成本，降低环境污染；更重要的是，高铁轻量化发展能进一步推动高铁提速。转向架是高铁列车的重要组成部分，转向架的轻量化设计能够相当程度上提升高铁整体的轻量化发展。高速列车轻量化技术已经发展成为一个包含多学科的研究分支和领域，需要从材料，结构、工艺等多个方面进行考虑^[1]。下面三张图中的三种型号的转向架是按照从早期型号到后期型号顺序的，可以看出，转向架也在不断的往轻量化方向发展，这是铁路交通发展的必然趋势。同时，也可以看出转向架设计的发展主要集中在转向架构架的设计上，构架作为转向架最大的和最主要承重的部分，它的设计也一定程度上反映了一个国家的铁路交通技术的发展水平。当今世界经济快速发展，铁路交通作为陆上最主要货运和客运的交通工具，也不断发生着革新，国家推行的“一带一路”政策也一定程度上进一步刺激了我国铁路交通科技研究的发展。转向架对于确保高铁运营时的稳定表现有着重要的意义，很大程度上决定动车行驶时的整体表现，也是限制着动车发展的重要因素。转向架的构架在转向架中起着最主要的承重作用，同时其本身的设计也是影响着转向架设计的最重要因素，可以说，转向架的轻量化设计最主要也最需要从构架的设计方面入手。

图1.1 CRH1型动车转向架模型