摘要：本文旨在说明设计仿真中，通过对有限无仿真分析技术和实际实验相关联的方法来确定关于产品的结果参数。在下文中主要针对一种铁道车辆转向架用橡胶关节的结构设计与疲劳实验设计过程中通过对虚拟样机仿真分析的方式进行详细的阐述与探讨。为确定产晶的载荷条件与疲劳载衍谱，我们通过分析车辆系统力学仿真分析技术还有随机车载系统相关内容，设计仿真的可行与可靠性是通过实际疲劳试验校验来完成的。
关键词： 车载系统；可靠性；分析与研究；参数设计；橡胶弹性；铁道车辆
作为影响铁道车辆运行品质的重要部分，转向架内的结构件是转向架的躯体，大脑是弹性悬挂系统，所以说，其能够之间对其运行品质产生有效的影响。目前，我国对转向架的性能与高分子弹性元件技术发展的要求逐渐升高。橡胶类高分子产品因为具备非线性性能参数，所以其被用在弹性元件上面的数量逐渐升高。在工程中，橡胶部件的使用给我们带来了一种比较简单并且巧妙的解决方法。下文将通过对我国一个铁道车辆转向架转臂定位橡胶关节的设计作为参考，阐述了橡胶元件设计工程中的仿真技术还有校验过程。
一、橡胶关节的技术输入
再设计橡胶关节时，提供外形接口尺寸还有产品径向和轴向刚度要求是主机厂进行供给的。但是对于明确的疲劳试验载荷条件并没有很具体，只是在其使用寿命上进行要求。通过采用虚拟样机的方式，来保证研发出来的橡胶关节在技术参数还有可靠性上面满足转向架的运行条件，以此来充分发挥三维结构的设计、有限元结构分析、多体动力学系统仿真和疲劳载荷谱数据处理等设计仿真分析技术优势。
二、橡胶关节的结构设计
根据弹性理论，橡胶的剪切模量G与压缩弹性模量E的关系见式
式中r为泊松比。典型橡胶的r值为0. 499 5，所以E、3G。对于普通结构的关节，轴向意味着剪切方向，径向则是压缩方向。同时橡胶件受压缩时，它的上下表面与金属板硫化粘结而受约束，使有效的压缩弹性模量E。值比式（1）计算得到的E大得多.所以普通结构关节的轴、径向刚度比通常小于0. 3，但是本次设计的橡胶关节要求轴、径向刚度比大于0. 5 .因此突破普通结构进行设计，这种结构的轴、径向刚度比可以做到。根据基本结构形式，结合接口尺寸的空间限制和产品刚度限制条件，利用有限元分析技术，确定其具体的结构参数。在分析过程中充分利用既往产品的经验参数，对具体结构参数进行优化分析。优化过程中采用统一的网格规模、单元类型、材料属性、接触参数、求解参数等。通过调整各个结构参数。再经过多次有限元计算，最终确定结构具体参数，具体流程见图3。通过这个设计仿真优化过程后，该产品样品一次试模成功，径向刚度和轴向刚度均满足了要求。这样就大大缩短开发周期，降低了研发成本。
三、橡胶关节疲劳试脸
保证铁道车辆运行稳定的关键因素之一就是转向架转臂定位橡胶关节。这个部位如果出现问题那么就会使转向架其他部位发生破坏，严重影响行车的安全，所以，铁道车辆的疲劳的可靠性非常重要。客户由于是新开发的转向架和车辆，所以并没有比较确切的结果疲劳载荷信息。所以通过采用车辆系统力学仿真分析的技术方式，加以主机厂提供的车辆和转向架技术参数，再结合客户最终提供的线路情况，通过对建立的分析模型的研究，得出橡胶关节的载荷时间历程，最后得知其载荷的情况。
3.1 计算工况确定
后期处理数量还有计算的工时之所以会增加，是由于前期计算工况分的太过于精细。但是工况分析的过糙，那么就会使计算出来的结果没有意义，缺乏代表性。故而工况的选择一定要谨慎合理。根据调查可知，车辆运行线路分布的比例。根据gb50157--92中的规范能够得知每一种工况的最高速度，针对于此再去考虑其安全性能。应该以相应线路的最大速度的数值作为整车动力学仿真分析时的基础。
3.2计算结果及数据处理
根据动力学仿真结果，导向轮对上定位关节的载荷最为恶劣，所以取该关节14种工况下的载荷时间历程，并分别进行雨流计数。然后按照一定里程内（如150kin）各工况的比例进行雨流矩阵叠加，生成150 km总雨流矩阵，该雨流矩阵共计有1．01×105次循环，代表车辆运行150 km，则产品性能要求的120万km对应的载荷循环将高达8亿次。从研发产品的角度，必须缩短疲劳试验的循环次数，即利用加速疲劳试验技术。通过对产品进行有限元应力应变仿真分析，结合既往产品形成的典型压缩类结构产品的S—N曲线，对总雨流矩阵进行缩减，得到了缩小规模的总雨流矩阵。一个块只包含450次循环。120万km包含8 000个块，总计循环次数为360万次。从而在保证对结构损伤不降低的情况下，缩短疲劳寿命试验时间的载荷方案。
3.3制台架试验程序载荷谱块
雨流矩阵描述的是三维均值、幅值统计频次表，为便于台架试验加载，需要转换成二维表格。但雨流矩阵代表了运行150 km中可能出现的载荷情况，其统计结果涵盖几乎所有典型运行工况，因此可以直接使用其幅值分布统计结果对载荷幅值进行分级。然后重复150 km的载荷谱块。依据CONOVERn]法将载荷谱划分为8级进行统计，但由于在频次中出现了非整数值．实际试验中操作性较差，所以对表中的数据进行处理，将8级载荷谱调整为6级载荷谱。依据载荷低一高一低加载次序制定单块程序加载谱，这样可以最大程度上减小加载顺序对疲劳试验的影响。台架试验控制计算机上的单个谱块显示，总循环数为450，代表运行150 km的径向载荷。试验波动中心为21. 5 kN，共计运行8 00。个块，相当产品实际运行120万km，频率为2--4 Hz
3. 4产品疲劳检验
根据上述分析，对产品进行疲劳寿命试验，试验后对产品进行刚度检测，刚度变化率为19.5%，满足使用要求；而在外观方面也只有压缩部分有轻微的熔胶，所以该产品满足疲劳试验条件.该产品提供给主机厂后，经过2年多运用后检修时，进行外观检查和参数检测，均没有出现异常情况，表明该产品的开发设计完全能够满足使用要求。
四、结束语
根据上文的分析与研究可知。在铁道车辆转向架橡胶弹性元件的开发过程中，通过大量采用结构三维设计、结构有限元仿真分析、车辆系统动力学仿真分析、随机载荷统计仿真分析、疲劳结构寿命仿真分析等虚拟样机仿真技术，不仅大大缩短了产品结构设计开发的周期与成本，也为橡胶产品的可靠性研究与设计提供了一条经济、实用、可靠的方法。
参考文献：
[1]林勇. 用于激光光束整形的衍射光学元件设计[D].大连理工大学，2009
[2]卜继玲，王永冠，宋传江.铁道车辆橡胶弹性元件设计仿真与校验[J].铁道机车车辆，2011（01）
论文作者:王超,侯鹏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
标签：载荷论文; 橡胶论文; 转向架论文; 疲劳论文; 关节论文; 刚度论文; 车辆论文; 《基层建设》2018年第4期论文;