CN113673063A - 一种辐条车轮设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辐条车轮设计方法，属于车轮技术领域，该方法包括如下步骤：建立腔体车轮模型；在腔体车轮模型上绘制初级辐条孔，初级辐条孔由中心圆弧、上端圆弧、下端圆弧、左侧圆弧和右侧圆弧构成；根据辐条数量对初级辐条孔进行圆周阵列排列，并对初级辐条孔进行拉伸切除操作，得到初级辐条车轮模型；利用有限元软件对初级辐条车轮模型进行车轮有限元结构应力分析，对初级辐条孔的形状参数进行优化；将优化辐条孔的上端圆弧、左侧圆弧和下端圆弧通过第一圆滑弧线连接，上端圆弧、右侧圆弧和下端圆弧通过第二圆滑弧线连接，得到完整辐条孔，进而得到设计辐条车轮。该方法能够适用于各种车轮设计参数的变化，能够实现车轮最优性能设计。

Description

一种辐条车轮设计方法
技术领域
本发明属于车轮技术领域，尤其涉及一种辐条车轮设计方法。
背景技术
轮对是铁路车辆中的一个非常关键的零部件，它直接关系着列车运行的安全可靠性，并对运行品质与乘坐舒适性构成重要影响。轮轨间的振动与冲击是导致车辆与轨道疲劳失效、磨损的重要源头，轮轨振动与噪声对列车内部与周围环境的舒适性带来严重影响。降低车轮重量和改进车轮结构设计是解决这些问题的有效措施，等温淬火球墨铸铁辐条车轮不仅能够减轻车轮重量，而且能够降低车轮振动辐射噪声，并且由于等温淬火球墨铸铁材料具有的自润滑效果，能够显著地降低轮轨磨损。
辐条车轮的剖面为中空腔体结构，沿着轴向由内外两侧辐条包裹，辐条的形状设计是影响车轮重量、结构疲劳强度与铸造工艺及质量的关键因素。现有的辐条车轮的设计方法中，辐条孔设计是根据车轮应力分析结果与个人经验进行设计，首先凭个人经验对辐条形状进行初步设计，初步设计完成后进行结构强度分析，如果应力高于设计规定应力数值，重新修改设计参数并进行强度校核分析，直到应力数值低于设计要求，如果应力远低于设计规定应力数值，可对辐条形状重新设计进一步减轻重量，并进行强度校核。然而，这种现有辐条车轮的设计方法只能给出辐条车轮的具体形状参数及范围，当辐条数量、轮辋及轮毂直径变化时，设计的辐条车轮的形状参数及范围将不再适用。
发明内容
针对现有辐条车轮设计方法存在的上述不足，本发明提供了一种辐条车轮设计方法，能够适用于辐条数量、轮辋及轮毂直径等各种车轮设计参数的变化，同时，设计的辐条车轮具有最优的减重、疲劳强度性能综合效果且具有良好的铸造工艺性。
本发明提供了一种辐条车轮设计方法，包括如下步骤：
建立腔体车轮模型：根据轮辋与轮毂尺寸建立内外封闭的腔体车轮模型；
绘制初级辐条孔：在腔体车轮模型上绘制初级辐条孔，初级辐条孔由中心圆弧、位于中心圆弧上端的上端圆弧、位于中心圆弧下端的下端圆弧以及分别位于中心圆弧左右两侧的左侧圆弧和右侧圆弧构成；中心圆弧的圆心位于以腔体车轮模型的轮心为圆心、半径为Rp的圆弧线上，Rp＝(Rg+Rw)/2，其中，Rg为轮毂外半径，Rw为轮辋内半径；中心圆弧的半径Rc的取值根据轮辋内半径Rw、轮毂外半径Rg以及预设辐条周向宽度确定；左侧圆弧和右侧圆弧的半径相同且圆心均位于中心圆弧的弧线上；
获取初级辐条车轮模型：根据辐条数量在腔体车轮模型上对初级辐条孔进行圆周阵列排列，并对初级辐条孔进行拉伸切除操作，得到初级辐条车轮模型；
优化初级辐条孔形状：利用有限元软件对初级辐条车轮模型进行车轮有限元结构应力分析，以车轮质量最小为目标，以第一主应力σ1小于给定应力σspc为约束条件，对初级辐条孔的形状参数进行优化，得到优化辐条孔；形状参数包括上端圆弧的半径ru、下端圆弧的半径rd、左侧圆弧或右侧圆弧的半径rl、上端圆弧的圆心与中心圆弧的圆心之间的距离Hu以及下端圆弧的圆心与中心圆弧的圆心之间的距离Hd；
获取完整辐条孔和设计辐条车轮：将优化辐条孔的上端圆弧、左侧圆弧和下端圆弧通过第一圆滑弧线连接，并将上端圆弧、右侧圆弧和下端圆弧通过第二圆滑弧线连接，第一圆滑弧线与上端圆弧、左侧圆弧和下端圆弧同时相切，第二圆滑弧线与上端圆弧、右侧圆弧和下端圆弧同时相切；第一圆滑弧线、第二圆滑弧线、上端圆弧和下端圆弧共同围成的边界圆滑的孔即为完整辐条孔；根据完整辐条孔的形状，得到设计辐条车轮。
在其中一些实施例中，初级辐条孔的中心圆弧、上端圆弧和下端圆弧的圆心位于腔体车轮模型的同一径向直线上。
在其中一些实施例中，初级辐条孔的左侧圆弧和右侧圆弧相对于中心圆弧、上端圆弧和下端圆弧的圆心连线对称设置。
在其中一些实施例中，初级辐条孔的左侧圆弧和右侧圆弧的圆心均位于以腔体车轮模型的轮心为圆心、以Rp为半径的圆弧线上或圆弧外侧。
在其中一些实施例中，初级辐条孔的左侧圆弧和右侧圆弧的圆心均位于以腔体车轮模型的轮心为圆心、以Rp为半径的圆弧线上。
在其中一些实施例中，根据权利要求1的辐条车轮设计方法，其特征在于，辐条数量为素数。
在其中一些实施例中，辐条数量为7个或11个或13个。
在其中一些实施例中，优化初级辐条孔形状步骤中，ru、rd、rl、Hu和Hd的取值范围均根据轮辋内半径Rw、轮毂外半径Rg以及预设辐条周向宽度确定。
在其中一些实施例中，优化初级辐条孔形状步骤中，按照施加曲线工况载荷对位于初级辐条车轮模型外侧的初级辐条孔的形状参数进行优化，并按照施加道岔工况载荷对位于初级辐条车轮模型内侧的初级辐条孔的形状参数进行优化。
在其中一些实施例中，优化初级辐条孔形状步骤中，施加载荷时，载荷加载截面位于使辐条部位应力最严重的位置处。
基于上述技术方案，本发明实施例的辐条车轮设计方法，通过绘制初级辐条孔，并结合减重和车轮应力分布对其进行形状参数优化分析，确定初级辐条孔的具体形状参数，获得辐条孔形状边界，进而获得最优的完整辐条孔形状和设计辐条车轮，该方法能够适用于辐条数量、轮辋及轮毂直径等各种车轮设计参数的变化，同时，设计的辐条车轮具有最优的减重、疲劳强度性能综合效果且具有良好的铸造工艺性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明第一个示意性实施例提供的辐条车轮设计方法中建立的腔体车轮模型的示意图；
图2为本发明第一个示意性实施例提供的辐条车轮设计方法中在腔体车轮模型上绘制的初级辐条孔的示意图；
图3为本发明第二个示意性实施例提供的辐条车轮设计方法中在腔体车轮模型上绘制的初级辐条孔的示意图；
图4为本发明第一个示意性实施例提供的辐条车轮设计方法中获取的初级辐条车轮模型的示意图；
图5为本发明第一个示意性实施例提供的辐条车轮设计方法中初级辐条车轮模型的优化有限元网格示意图；
图6为直线工况、曲线工况和道岔工况下车轮的载荷示意图；
图7为本发明第一个示意性实施例提供的辐条车轮设计方法中获取的完整辐条孔的示意图；
图8为本发明第一个示意性实施例提供的辐条车轮设计方法中获取的设计辐条车轮的示意图；
图9为曲线工况载荷下图8的设计辐条车轮的外侧辐条应力云图。
图中：
1、腔体车轮模型；2、初级辐条孔；21、中心圆弧；22、上端圆弧；23、下端圆弧；24、左侧圆弧；25、右侧圆弧；3、第一圆滑弧线；4、第二圆滑弧线；5、完整辐条孔；6、设计辐条车轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图2所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种辐条车轮设计方法，包括如下步骤：
S1建立腔体车轮模型：根据轮辋与轮毂尺寸建立内外封闭的腔体车轮模型1，如图1所示。
S2绘制初级辐条孔：在腔体车轮模型1上绘制初级辐条孔2，如图2所示，初级辐条孔2由中心圆弧21、位于中心圆弧21上端的上端圆弧22、位于中心圆弧21下端的下端圆弧23以及分别位于中心圆弧21左右两侧的左侧圆弧24和右侧圆弧25构成；中心圆弧21的圆心位于以腔体车轮模型1的轮心为圆心、半径为Rp的圆弧线上，Rp＝(Rg+Rw)/2，其中，Rg为轮毂外半径，Rw为轮辋内半径；中心圆弧21的半径Rc的取值根据轮辋内半径Rw、轮毂外半径Rg以及预设辐条周向宽度确定；左侧圆弧24和右侧圆弧25的半径相同且圆心均位于中心圆弧21的弧线上。
需要说明的是，图2中，上端圆弧22的半径为ru、下端圆弧23的半径为rd，左侧圆弧24和右侧圆弧25的半径均为rl、上端圆弧22的圆心与中心圆弧21的圆心之间的距离为Hu，下端圆弧23的圆心与中心圆弧21的圆心之间的距离为Hd。
还需要说明的是，如图2所示，优选的，初级辐条孔2的中心圆弧21、上端圆弧22和下端圆弧23的圆心位于腔体车轮模型1的同一径向直线上，有利于保证车轮的轴对称性。
进一步的，初级辐条孔2的左侧圆弧24和右侧圆弧25优选为相对于中心圆弧21、上端圆弧22和下端圆弧23的圆心连线对称设置，有利于保证车轮质量分布均匀。
再者，优选的，初级辐条孔2的左侧圆弧24和右侧圆弧25的圆心均位于以腔体车轮模型1的轮心为圆心、以Rp为半径的圆弧线上(如图2所示)或圆弧外侧(如图3所示)；其中，最优的是初级辐条孔2的左侧圆弧24和右侧圆弧25的圆心均位于以腔体车轮模型1的轮心为圆心、以Rp为半径的圆弧线上，有利于使辐条车轮的重量最小化，获得最佳的减重效果。
S3获取初级辐条车轮模型：根据辐条数量在腔体车轮模型1上对初级辐条孔2进行圆周阵列排列，并对初级辐条孔2进行拉伸切除操作，得到初级辐条车轮模型，如图4所示。
需要说明的是，为了获得最优的轮轨动态作用力效果，辐条数量应为素数，优选为7个或11个或13个。
S4优化初级辐条孔形状：利用有限元软件对初级辐条车轮模型进行车轮有限元结构应力分析，初级辐条车轮模型的优化有限元网格示意图如图5所示，以车轮质量最小为目标，以第一主应力σ1小于给定应力σspc为约束条件，对初级辐条孔2的形状参数进行优化，得到优化辐条孔；形状参数包括ru、rd、rl、Hu和Hd。需要说明的是，本步骤中，ru、rd、rl、Hu和Hd的取值范围均根据轮辋内半径Rw、轮毂外半径Rg以及预设辐条周向宽度确定。设车轮重量函数为W(ru,rd,rl,Hu,Hd)，则初级辐条孔2的形状参数优化用公式可表示为：
find X＝[ru,rl,rd,Hu,Hd]T∈R5
min W(X)＝W(ru,rl,rd,Hu,Hd)
s.t.σ1(X)≤[σspc]。
还需要说明的是，如图6所示，铁路车轮标准规定的工况载荷包括直线工况载荷(Fz1)、曲线工况载荷(Fz2、Fy2)和道岔工况载荷(Fz3、Fy3)，其中，直线工况载荷产生的应力数值较低，因而不予考虑，施加曲线工况载荷时最大主应力位于外侧辐条，而施加道岔工况载荷时最大主应力位于内侧辐条，因而，本步骤中，优选按照施加曲线工况载荷对位于初级辐条车轮模型外侧的初级辐条孔2的形状参数进行优化，并按照施加道岔工况载荷对位于初级辐条车轮模型内侧的初级辐条孔2的形状参数进行优化。进一步的，由于辐条车轮结构绕轴向周期变化，优选的，本步骤中，施加载荷时，载荷加载截面位于使辐条部位应力最严重的位置处以模拟最苛刻条件，例如：。
S5获取完整辐条孔和设计辐条车轮：将优化辐条孔的上端圆弧22、左侧圆弧24和下端圆弧23通过第一圆滑弧线3连接，并将上端圆弧22、右侧圆弧25和下端圆弧23通过第二圆滑弧线4连接，第一圆滑弧线3与上端圆弧22、左侧圆弧24和下端圆弧23同时相切，第二圆滑弧线4与上端圆弧22、右侧圆弧25和下端圆弧23同时相切；第一圆滑弧线3、第二圆滑弧线4、上端圆弧22和下端圆弧23共同围成的边界圆滑的孔即为完整辐条孔5，如图7所示；根据完整辐条孔5的形状，得到设计辐条车轮6，如图8所示。采用本步骤的方法获取完整辐条孔5，能够最大可能地减轻车轮重量，降低辐条孔附近区域应力集中，获得的设计辐条车轮6具有良好的铸造工艺性。
上述辐条车轮设计方法，通过绘制初级辐条孔2，并结合减重和车轮应力分布对其进行形状参数优化分析，确定初级辐条孔2的具体形状参数，获得辐条孔形状边界，进而获得最优的完整辐条孔5形状和设计辐条车轮6，该方法能够适用于辐条数量、轮辋及轮毂直径等各种车轮设计参数的变化，同时，设计的辐条车轮具有最优的减重、疲劳强度性能综合效果且具有良好的铸造工艺性。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的辐条车轮设计方法，下面将结合具体实施例进行描述。
实施例一
一种辐条车轮设计方法，包括如下步骤：
(1)设计铁路车轮的滚动圆直径为840mm、轮辋内半径Rw为361mm、轮毂外半径Rg为100mm、轮毂孔高度为175mm、轮对承载轴重为14吨，采用ANSYS Workbench的DesinModeler，根据车轮轮辋与轮毂尺寸建立内外封闭的腔体车轮模型1如图1所示。
(2)如图2所示，在腔体车轮模型1上绘制初级辐条孔2，初级辐条孔2由中心圆弧21、位于中心圆弧21上端的上端圆弧22、位于中心圆弧21下端的下端圆弧23以及分别位于中心圆弧21左右两侧的左侧圆弧24和右侧圆弧25构成；中心圆弧21的圆心位于以腔体车轮模型1的轮心为圆心、半径Rp为600.5mm的圆弧线上；初级辐条孔2的中心圆弧21、上端圆弧22和下端圆弧23的圆心位于腔体车轮模型1的同一径向直线上；左侧圆弧24和右侧圆弧25的半径相同且圆心均位于中心圆弧21的弧线上，初级辐条孔2的左侧圆弧24和右侧圆弧25相对于中心圆弧21、上端圆弧22和下端圆弧23的圆心连线对称设置，初级辐条孔2的左侧圆弧24和右侧圆弧25的圆心均位于以腔体车轮模型1的轮心为圆心、以Rp为半径的圆弧线上。其中，中心圆弧21的半径为Rc，上端圆弧22的半径为ru、下端圆弧23的半径为rd，左侧圆弧24和右侧圆弧25的半径均为rl、上端圆弧22的圆心与中心圆弧21的圆心之间的距离为Hu，下端圆弧23的圆心与中心圆弧21的圆心之间的距离为Hd，根据轮辋内半径Rw、轮毂外半径Rg以及预设辐条周向宽度确定参数ru、rd、rl、Hu、Hd的取值范围分别为：25mm≤ru≤30mm，25mm≤rd≤30mm，8mm≤rl≤15mm，50mm≤Hu≤60mm，50mm≤Hd≤60mm。
(3)设计辐条数量为11个，根据辐条数量在腔体车轮模型1上对初级辐条孔2进行圆周阵列排列，并对初级辐条孔2进行拉伸切除操作，得到初级辐条车轮模型，如图4所示。
(4)对初级辐条车轮模型进行有限元网格划分，其网格如图5所示。
(5)采用ANSYS workbench的响应面优化模块(也可以采用ANSYS workbench的直接优化模块)对初级辐条车轮模型进行车轮有限元结构应力分析，以车轮质量最小为目标，以第一主应力σ1小于给定应力σspc(取值为80MPa)为约束条件，对初级辐条孔2的形状参数进行优化，得到优化辐条孔。优化时，按照施加曲线工况载荷对位于初级辐条车轮模型外侧的初级辐条孔2的形状参数进行优化，并按照施加道岔工况载荷对位于初级辐条车轮模型内侧的初级辐条孔2的形状参数进行优化。施加载荷时，载荷加载截面位于使辐条部位应力最严重的位置处。
下面以外侧的初级辐条孔2的形状参数优化为例进行说明：
a、根据轴重计算得到曲线工况下径向载荷为80kN、轴向载荷为44.8kN。
b、进行试验设计分析，根据步骤(2)确定的参数取值范围计算得到45组设计点，然后利用这45组设计点数据进行响应面分析。
c、采用NLPQL(Nonlinear Programming by Quadratic Lagranging)进行优化分析，优化结果如表1所示。需要说明的是，也可以采用MISQP(Mixed Integer SequentialQuadratic Programming)和MOGA(Multi-objective Genetic Algorithm)等其他优化算法。
表1 NLPQL法优化结果
Figure BDA0003279413640000091
选择ru＝30mm、rd＝30mm、rl＝14.2mm、Hu＝60mm、Hd＝60mm为优化辐条孔的形状参数。
(6)将优化辐条孔的上端圆弧22、左侧圆弧24和下端圆弧23通过第一圆滑弧线3连接，并将上端圆弧22、右侧圆弧25和下端圆弧23通过第二圆滑弧线4连接，第一圆滑弧线3与上端圆弧22、左侧圆弧24和下端圆弧23同时相切，第二圆滑弧线4与上端圆弧22、右侧圆弧25和下端圆弧23同时相切；第一圆滑弧线3、第二圆滑弧线4、上端圆弧22和下端圆弧23共同围成的边界圆滑的孔即为完整辐条孔5，如图7所示；根据完整辐条孔5的形状，得到设计辐条车轮6，如图8所示，车轮质量降至289kg，其曲线工况载荷下，外辐条应力云图如图9所示，最大主应力为54.3MPa，小于80MPa的设计要求。
最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种辐条车轮设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立腔体车轮模型：根据轮辋与轮毂尺寸建立内外封闭的腔体车轮模型；
绘制初级辐条孔：在所述腔体车轮模型上绘制初级辐条孔，所述初级辐条孔由中心圆弧、位于所述中心圆弧上端的上端圆弧、位于所述中心圆弧下端的下端圆弧以及分别位于所述中心圆弧左右两侧的左侧圆弧和右侧圆弧构成；所述中心圆弧的圆心位于以所述腔体车轮模型的轮心为圆心、半径为Rp的圆弧线上，Rp＝(Rg+Rw)/2，其中，Rg为轮毂外半径，Rw为轮辋内半径；所述中心圆弧的半径Rc的取值根据轮辋内半径Rw、轮毂外半径Rg以及预设辐条周向宽度确定；所述左侧圆弧和右侧圆弧的半径相同且圆心均位于所述中心圆弧的弧线上；
获取初级辐条车轮模型：根据辐条数量在所述腔体车轮模型上对所述初级辐条孔进行圆周阵列排列，并对所述初级辐条孔进行拉伸切除操作，得到初级辐条车轮模型；
优化初级辐条孔形状：利用有限元软件对所述初级辐条车轮模型进行车轮有限元结构应力分析，以车轮质量最小为目标，以第一主应力σ1小于给定应力σspc为约束条件，对初级辐条孔的形状参数进行优化，得到优化辐条孔；所述形状参数包括所述上端圆弧的半径ru、所述下端圆弧的半径rd、所述左侧圆弧或右侧圆弧的半径rl、所述上端圆弧的圆心与所述中心圆弧的圆心之间的距离Hu以及所述下端圆弧的圆心与所述中心圆弧的圆心之间的距离Hd；
获取完整辐条孔和设计辐条车轮：将所述优化辐条孔的上端圆弧、左侧圆弧和下端圆弧通过第一圆滑弧线连接，并将上端圆弧、右侧圆弧和下端圆弧通过第二圆滑弧线连接，所述第一圆滑弧线与所述上端圆弧、左侧圆弧和下端圆弧同时相切，所述第二圆滑弧线与所述上端圆弧、右侧圆弧和下端圆弧同时相切；所述第一圆滑弧线、第二圆滑弧线、上端圆弧和下端圆弧共同围成的边界圆滑的孔即为完整辐条孔；根据所述完整辐条孔的形状，得到设计辐条车轮。
2.根据权利要求1所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述初级辐条孔的所述中心圆弧、上端圆弧和下端圆弧的圆心位于所述腔体车轮模型的同一径向直线上。
3.根据权利要求2所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述初级辐条孔的所述左侧圆弧和右侧圆弧相对于所述中心圆弧、上端圆弧和下端圆弧的圆心连线对称设置。
4.根据权利要求3所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述初级辐条孔的所述左侧圆弧和右侧圆弧的圆心均位于以所述腔体车轮模型的轮心为圆心、以Rp为半径的圆弧线上或圆弧外侧。
5.根据权利要求4所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述初级辐条孔的所述左侧圆弧和右侧圆弧的圆心均位于以所述腔体车轮模型的轮心为圆心、以Rp为半径的圆弧。
6.根据权利要求1所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述辐条数量为素数。
7.根据权利要求6所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述辐条数量为7个或11个或13个。
8.根据权利要求1所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述优化初级辐条孔形状步骤中，ru、rd、rl、Hu和Hd的取值范围均根据轮辋内半径Rw、轮毂外半径Rg以及预设辐条周向宽度确定。
9.根据权利要求1所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述优化初级辐条孔形状步骤中，按照施加曲线工况载荷对位于所述初级辐条车轮模型外侧的初级辐条孔的形状参数进行优化，并按照施加道岔工况载荷对位于所述初级辐条车轮模型内侧的初级辐条孔的形状参数进行优化。
10.根据权利要求9所述的辐条车轮设计方法，其特征在于，所述优化初级辐条孔形状步骤中，施加载荷时，载荷加载截面位于使辐条部位应力最严重的位置处。
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