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軌道車輛轉向架結構強度分析
  • 發布年度:2012
  • 主要類別:CAE技術
  • 次要類別:電子報
  • 車輛研究測試中心 技術服務處 工程分析中心 張祐誠

    由於都市化的發展與節能減碳的趨勢,中高運輸量的大眾捷運系統與高速化的鐵路系統需求日益增加,已成為社會大眾不可或缺的重要交通工具。由於軌道車輛之車速高且載客量大,因此如何確保軌道車輛設計的安全性,更是當今重要的議題。有鑒於軌道車輛高安全性的要求,國際鐵路聯盟為各型鐵路車輛按車輪與車軸排列方式而制定「UIC標準」,其標準涵蓋收費、貨運、維修、檢查及設計等,歷史悠久的歐洲鐵路系統,即以此為驗證標準。

    一般而言,軌道車輛之車體結構由上至下主要由車廂、底板與轉向架所組成,如圖1。其中轉向架承載著車廂與底板,並安裝有懸吊、動力與煞車等多個重要系統,故轉向架結構強度的設計尤其重要。以下即以轉向架為例說明。

    圖1 軌道車輛之整體結構示意圖

    圖2 軌道車輛之轉向架結構示意圖

    轉向架結構係由兩左右對稱之側樑與中間橫置之主樑所組成,連接處則以電焊焊接而成,如圖2。在設計轉向架的過程中,該如何確認轉向架的安全性?國際鐵路聯盟制定的「UIC615-4電力動力車:轉向架構架的結構強度試驗」,對於轉向架之負載有明確的量化定義。在轉向架諸多的負載狀況中,最基本的一項負載來源為車廂重量、乘客重量與行李重量,UIC615-4將這些負載分為垂向負載與橫向負載,如表1,轉向架之負載施加與結構固定方式,如圖3。

     表1 轉向架基本負載組合表
     

    圖3 轉向架之負載施加與結構固定方式示意圖

    透過電腦輔助工程分析軟體,可將轉向架之幾何形狀、材料特性、阻尼與彈簧、固定條件及負載情況等要素輸入電腦,建立虛擬的數值分析模型後,再據以計算出轉向架之結構應力。圖4~6為電腦輔助分析軟體模擬計算後,所繪出之轉向架受橫向負載、垂向負載,以及橫向+垂向負載應力分佈圖,藉由應力分佈之位置與大小,設計者可以確認轉向架之強度是否足夠,若未達設計要求,亦可依據分析結果快速找出有效的設計改良方案,加強結構設計不足之處。

    圖4 橫向負載之轉向架結構應力分佈圖(Fy)
    圖5 垂向負載之轉向架結構應力分佈圖(Fz)
    圖6 橫向+垂向負載之轉向架結構應力分佈圖(Fy+Fz)

          
    運用電腦輔助工程分析方法,可在設計階段即時掌握軌道車輛結構設計之優劣,並據以找出設計之改進方向,確保轉向架的強度設計符合要求,減少設計開發時程與成本,使設計開發之品質與效率得以大幅提升。

    若需要進一步瞭解相關內容細節,歡迎洽詢車輛中心 技術服務處 工程分析中心 張祐誠
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