【机情无限 精彩毕设】机械2025届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第二十五期——时速400km/h动车转向架方案设计及动力学分析

学生姓名：丁天智

班    级：车辆2021-04班

指导教师：吴兴文

毕设题目：时速400km/h动车转向架方案设计及动力学分析

一、概况

1.选题意义

随着中国经济的持续增长以及交通运输需求的不断提升，铁路作为国家骨干交通方式的重要地位愈发凸显。尤其是近20年来高速铁路技术的迅猛发展，使我国成为世界高铁技术和运营规模的领先国家。当前，高速铁路网络已基本覆盖全国大部分省份与主要城市，为区域经济一体化与人员高效流动提供了有力支撑。与此同时，随着高速列车运行速度不断提升，列车对运行安全性、平稳性等动力学性能的要求也日趋严苛，推进高速列车装备升级和核心部件性能提升成为行业发展的重点方向。

在高速列车的关键部件中，转向架作为列车的走行机构，承担着承载、导向、减振、牵引与制动等多项功能，其结构性能直接关系到整车的安全性与运行品质。尤其是在400 km/h 及以上的高速运行条件下，列车面临的气动扰动、振动响应和轮轨冲击等问题愈加突出，对转向架的结构设计与动力学适应能力提出了更高标准。因此，围绕高速动车组转向架开展方案设计与动力学性能分析，不仅是技术发展的必然要求，也具有重要的工程应用价值。

近年来，各国为了提升高速列车的性能表现与节能环保，转向架的轻量化设计成为研究热点。在保证结构强度和使用寿命的前提下，合理减重可以有效降低列车能耗，提升加减速性能，减缓轮轨磨耗，延长维护周期。所以在本课题中，本人结合先进复合材料的发展趋势，提出采用碳纤维构建柔性体转向架关键结构部件，以实现进一步的轻量化与动态性能优化。这种设计思想不仅在结构上突破传统钢性构架的局限，也为高速列车在高频运行振动环境下提供了更好的适应能力。

同时，随着有限元分析、多体动力学仿真技术的日趋成熟，基于 FEMBS 方法的ansys与simpack联合仿真手段已成为柔性体结构动力学设计验证的重要工具。通过构建合理的柔性体动力学模型，能够有效预测高速运行状态下的关键受力部位、结构响应及整车动力学行为，为优化设计提供数据支撑。

2.任务分解

（1）阅读选题相关文献（不少于50篇，至少三分之一以上外文）并收集现有主流高速动车转向架的设计方案，翻译外文文献。

（2）完成转向架的方案比选。

（3）完成转向架的创新部分的方案设计并确定总体系统方案设计。

（4）使用SolidWorks对各个零件进行建模并确定转向架各个零件的加工工艺。

（5）完成转向架装配体并导出其工程图并详尽标注，不少于2张A0图纸的工作量；

（6）利用ansys导出柔性体文件，导入simpack完成转向架的动力学建模并进行仿真对车辆的轮轴横向力、车辆运行平稳性、曲线通过性能等动力学性能进行分析，并根据仿真结果优化设计的参数。

（7）完成设计说明书的撰写。

二、已完成工作

1.完成对现有高速动车转向架与复合材料转向架资料的收集，并广泛阅读国内外相关文献，并完成文献翻译。

图1-1 外文文献翻译

2.完成毕业设计第一与三章的内容撰写

                           图2-1 第一章内容撰写                      图2-2 第三章内容撰写

3.完成转向架的选型与方案、结构、工艺的详细设计

（1）转向架总体设计

本转向架的构架采用了独创的钢制焊接套架与压入式的碳纤维柔性体弓系侧梁的组合结构，其中钢制焊接套架部分一定程度借鉴ICE3高速动车组动车转向架构架的结构以作为各种部件的连接的基座与桥梁。

   图3-1 转向架总体方案设计图        图3-2 转向架总体方案设计图              图3-3 转向架总体方案设计图

（2）完成创新构架的套架设计

为确保本设计在高速工况下的结构强度与可靠性，本设计的套架采用成熟且久经考验的合金钢焊接箱形梁方案，一定程度借鉴了ICE3动车转向架的结构。

图3-4 套架总体方案设计图

（3）完成了创新构架的柔性体侧梁设计

在本设计中，转向架采用了两侧独立一体成型的碳纤维弓形梁（弓系）柔性体结构，参考日本川崎重工efwing转向架理念，结合400km/h高速列车运行环境的实际工况需求加以改进。

图3-5 柔性体侧梁总体设计

（4）完成套架与柔性体侧梁的连接的创新设计（压块与防纵向窜动辅助嵌板的设计）

针对碳纤维柔性体侧梁在 400 km/h 高速工况下承受多轴载荷以及复合材料对局部应力的敏感性，本设计对传统连接方式进行了优化创新。

图3-6压块与防纵向窜动辅助嵌板的设计

（5）一系悬挂的设计

本设计在一系悬挂系统中引入了非线性刚度结构形式，即通过圆柱形层叠橡胶堆与油压减震器的组合结构，代替传统双层螺旋弹簧-油压减震器系统，形成与柔性体侧梁串联协同作用的非线性悬挂体系，以实现多级缓冲与能量耗散功能。

图3-7 一系悬挂的设计

（6）完成其他部件的设计

其他部件设计采用相对常见的设计，受篇幅限制这里不在赘述。

  图3-8 二系悬挂/Z字形牵引拉杆/抗测滚扭杆         图3-9 轮对/电机/齿轮箱/制动夹钳/电机吊架/制动轮盘

              横向止挡/二系横向减震器                         

图3-10 枕梁/二系垂向减震器/抗蛇行减震器

4.掌握并完成使用ansys生成可以导入进simpack的柔性体

本课题采用 ANSYS 与 SIMPACK 联合仿真的方法对高速动车转向架柔性体进行建模与分析。在 ANSYS 中完成柔性体结构的几何建模的导入与网格划分，并完成求解同时生成sub文件导出cbd文件进而导入simpack的FBI接口生成fbi文件。

图4-1 柔性体侧梁的网格划分图 4-2 柔性体侧梁的三个刚性区域

图4-3 柔性体侧梁的其中一个刚性区域主节点与从属节点的示意

5.掌握simpack的使用以及柔性体fbi文件的导入以及适配

  我了解了各种常用的力元的类型、特性以及其在轨道交通车辆的应用范围与场景，以及各个力元内的参数的含义，并参考现有高速动车组的悬挂等参数对各个力元的各个参数的设置范围有了大致的认知。同时我在simpack中完成了动力学模型的搭建，并进行时域仿真验证了力元与铰接关系的合理性。

               图5-1 导入柔性体侧梁的转向架总体动             图5-2 单节动车的总体动力学模型

二、下一步工作计划

1.完善设计模型

对三维模型进行细化与完善，完成二维工程图纸的导出与标注，确保满足毕业设计图纸规范要求。

  2.动力学仿真与参数优化

基于现有simpack动力学建模成果，继续进行动力学性能仿真，对比分析结果与《GB/T 5599-2019 铁路机车车辆 动力学性能评定和试验规范》相关指标，结合仿真结果进一步优化设计参数，提升系统安全裕度与动态性能表现。

3.撰写论文相关章节

梳理动力学模型建立过程，整理不同线路条件下的仿真试验结果，完成论文第四章车辆动力学性能分析模型建立与第五章车辆动力学仿真结果分析的撰写。同时补充完善第二章的转向架总体方案比选环节与第三章转向架方案设计。

4.论文排版与格式规范

严格按照学院要求，完成论文格式与排版的规范化工作，整理图表、公式、参考文献等细节内容，确保说明书内容完整、表达清晰。

5.扩展学习与设计深化（视时间情况）

若仿真优化顺利、时间允许，将尝试进行复合材料铺层设计的学习并应用于本设计的仿真，以进一步提升本设计的严谨性。

6.准备毕业设计答辩

全面整理毕业设计材料，准备答辩所需汇报内容与演示文稿，积极应对答辩环节，确保毕业设计工作的顺利收官。

问题一：碳纤维柔性体侧梁与套架连接的连接于动力学模型中怎么体现的？

回答：老师，目前的初步动力学建模中我在simpack中采用两个0号铰接来实现的模拟。

问题二：为什么不进一步的追求轻量化把中间的钢制套架也换成碳纤维材料？

回答：老师，目前碳纤维材料的主要加工工艺决定其更适合加工为几何形状流畅的零件，很难在确保强度的同时加工出如垂向减震器支架、抗蛇行减震器支架这样的部分，且碳纤维为各向异性材料在面对多向复杂应力容易出现分层等破坏，本设计的侧梁也是通过大面积的包覆式夹持来避免这种材料的弱点，现有的低速碳纤维转向架也一般是通过螺栓连接金属件来充当各种支架甚至直接取消了这些部分，而这种连接方式或设计方案应用于受到高频振动的高速动车很明显影响安全性。

通过当前工作的进行，我对高速铁路转向架设计及其动力学性能分析的复杂性与挑战性有了更深刻的认识。转向架作为铁路车辆的关键组成部分，其结构设计优劣直接关系到列车运行的安全性、稳定性及乘坐舒适性。

在本设计初期，我广泛学习了转向架的基本结构、各个零件的功能与其特性，通过广泛查阅国内外文献与技术资料，对转向架的设计理论和分析方法有了清晰全面的认知，为后续建模和分析打下了扎实的理论基础。

在具体建模设计与仿真模型的建立过程中，我遇到了诸多技术难题，如如何在保证结构强度的前提下减轻自重、如何合理设定一系悬挂系统来配合柔性体侧梁以满足非线性刚度需求、如何调试柔性体模型以确保动力学仿真稳定收敛等。这些问题的解决过程，锻炼了我将理论知识转化为工程实践能力的能力，也使我对高速列车关键部件的设计逻辑有了更深理解。

同时，我掌握了ANSYS与SIMPACK软件的联合仿真流程，熟悉了柔性体建模、接口点设置、轨轮接触定义、悬挂建模等一系列复杂操作，并通过不断尝试与调参，逐步完成了动力学仿真模型的建立。这一过程不仅提升了我的专业技能，也增强了我的问题分析与工程思维能力。

展望后续，我将继续完成动力学仿真与仿真结果参数的分析工作，并依据《GB/T 5599-2019 铁路机车车辆 动力学性能评定和试验规范》进一步完善动力学性能评估，力求设计结果更加严谨可靠。同时，我也希望将现有设计成果与复合材料方向进一步结合，探索碳纤维柔性体结构在高速铁路转向架中的可行性与优势。

衷心感谢吴兴文老师及各位同学在本阶段给予我的悉心指导与支持，尤其是特别感谢吴兴文老师对本设计的创新方案的坚实的支持与鼓励。在接下来的时间里，我将继续全力以赴，力求将本课题完成得更加扎实、完善，并为我国高速铁路装备设计贡献自己的绵薄之力。