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《轨道车辆强度基础》作为普通高等学校车辆工程专业卓越特色系列规划教材之一，着重阐述有限元方法以及轨道车辆结构强度分析的基本概念、原理和方法，反映轨道车辆技术发展的新成果。《轨道车辆强度基础》共5章，第1章介绍轨道车辆基本分类及重要组成部件；第2章在介绍有限元基本概念和基本分析过程的基础上，重点介绍杆、梁、平面、三维以及板壳单元的有限元格式推导过程；第3章介绍有限元仿真需注意的细节以及ANSYS有限元软件;第4章介绍车辆疲劳强度理论基础，重点阐述金属疲劳性能、疲劳累积损伤理论以及结构疲劳设计方法；第5章介绍高速动车组转向架、车体结构强度设计规范。此外，《轨道车辆强度基础》给出了典型实例的ANSYS实现过程和车辆结构强度分析过程，不仅可以作为轨道车辆相关专业的教材，对从事车辆装备和其他机械结构分析的工程人员也极具参考价值。
目录
前言
第1章 轨道车辆概述 1
1.1 轨道车辆的分类及用途 1
1.1.1 机车 1
1.1.2 货车 2
1.1.3 客车 4
1.1.4 动车组 4
1.2 轨道车辆的基本组成 7
1.2.1 车体 7
1.2.2 转向架 8
1.2.3 制动装置 9
1.2.4 车钩缓冲装置 11
1.2.5 车辆内部设备 11
参考文献 11
第2章 有限元方法基本原理及应用 12
2.1 绪论 12
2.1.1 概述 12
2.1.2 有限元法发展简史 13
2.1.3 有限元法的基本思想 14
2.1.4 有限元的基本概念 15
2.1.5 有限元分析基本流程 15
2.1.6 有限元分析的实现 17
2.2 杆系结构的有限元分析 18
2.2.1 概述 18
2.2.2 有限元分析原理 19
2.2.3 单元刚度矩阵 21
2.2.4 结构刚度矩阵 28
2.2.5 约束处理 33
2.2.6 载荷处理 34
2.2.7 杆系结构有限元分析简例 35
2.3 平面问题弹性力学基础 37
2.3.1 基本概念 37
2.3.2 平面应力问题与平面应变问题 39
2.3.3 平面问题的平衡微分方程 41
2.3.4 平面问题的几何方程 42
2.3.5 平面问题的物理方程 44
2.3.6 平面问题的边界条件 46
2.3.7 平面问题的基本解法 47
2.4 平面问题的有限元分析 51
2.4.1 常应变三角形单元（CST) 51
2.4.2 线性应变三角形单元（LST) 64
2.4.3 节点四边形单元（Q4) 68
2.4.4 CST单元与Q4单元求解结果对比 73
2.5 空间问题有限元法 75
2.5.1 空间问题的弹性力学基本方程 75
2.5.2 空间问题的有限元分析方法 75
2.5.3 空间问题的求解实例 78
2.6 薄板弯曲问题的有限元法 81
2.6.1 薄板弯曲的基本方程 81
2.6.2 矩形单元分析 84
2.7 壳体结构的有限元分析 93
2.7.1 基本假设 93
2.7.2 矩形单元 94
2.7.3 用壳体单元进行壳体分析的步骤 97
参考文献 97
第3章 有限元建模细节与ANSYS软件概述 98
3.1 有限元仿真分析基本过程 98
3.1.1 数据前处理 99
3.1.2 施加载荷和边界条件 100
3.1.3 求解及误差分析 103
3.1.4 数据后处理 104
3.1.5 建立有限元模型需考虑的几点问题 105
3.2 ANSYS软件操作简介 114
3.2.1 ANSYS软件图形界面的交互操作 114
3.2.2 ANSYS有限元求解过程与步骤 121
3.3 ANSYS软件应用实例 126
3.3.1 简支梁变形分析 126
3.3.2 平面应力问题求解 129
3.3.3 ANSYS薄板弯曲问题求解 133
3.3.4 轴对称问题求解 136
参考文献 139
第4章 车辆结构强度基础理论 140
4.1 疲劳研宄的历史 140
4.2 疲劳破坏的特点 142
4.3 疲劳断口的形貌特征 143
4.3.1 疲劳断口的宏观形貌特征 143
4.3.2 疲劳断裂源的判断 144
4.3.3 疲劳断口的微观形貌特征 144
4.4 金属疲劳性能 148
4.4.1 材料的S_N曲线 149
4.4.2 P_S_N 曲线 149
4.4.3 疲劳极限 150
4.4.4 影响疲劳强度的因素 150
4.5 疲劳累积损伤理论 153
4.5.1 疲劳损伤累积的概念 153
4.5.2 线性累积损伤理论 154
4.6 强度设计理论基础 155
4.6.1 静强度设计 155
4.6.2 抗疲劳设计 155
参考文献 161
第5章 高速动车组强度设计规范 162
5.1 高速动车组转向架焊接构架强度设计规范 162
5.1.1 UIC 规程 162
5.1.2 JIS技术条件 164
5.2 动车组车体强度设计规范 165
5.2.1 欧洲标准EN 12663 165
5.2.2 日本标准JIS E7106 169
5.3 转向架构架与车体强度分析实例 171
5.3.1 地铁动车转向架构架静强度与疲劳强度分析 171
5.3.2 电动客车车体静强度分析 175
参考文献 178……精彩书摘第1章 轨道车辆概述
铁路作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具，在现代运输体系中发挥着至关重要的作用。与其他交通运输方式相比较，铁路具有显而易见的优势：
(1)铁路运输具有安全正点的巨大优势，安全系数远高于公路。
(2)铁路运输受气候影响非常小，一年四季可以不分昼夜地进行定期的、有规律的运转。
(3)铁路运输速度越来越快，随着动车时代的到来，铁路有着“陆地航空”的美称。
(4)铁路运输量巨大。铁路一列货物列车一般能运送5000t货物，一列旅客列车能搭乘旅客几千人，远远髙于航空运输和汽车运输。
(5)铁路运输能源消耗较低。铁路运输耗油约是汽车运输的1/20。
轨道机车车辆与其他运输车辆的根本不同点在于，它必须在专门铺设的钢轨上运行。铁路运输中的这种特殊的轮轨关系是铁道机车车辆的*根本特征。
1.1 轨道车辆的分类及用途
轨道机车车辆一般有两种形式：传统的列车和动车组。根据是否带有动力，传统的列车可以分为机车与车辆；对于动车组，可以分为动车与拖车。
1.1.1 机车
由于铁路车辆大都不具备动力装置，需要把客车或货车连挂成车列，由机车牵引运行。在车站上，车辆的转线以及货场取送车辆等各项调车作业，也都要由机车完成。铁路机车大致以运用和牵引动力来分类。从运用上分，有客运机车、货运机车和调车机车。按牵引动力，机车可分为蒸汽机车、内燃机车和电力机车。截至2014年年底全路共配属机车19606台，其中内燃机车8614台，约占43.9%;电力机车10992台，约占56.1%。
目前我国机车发展的创新成果表现为：①从内燃机车牵弓丨为主转变为电力机车为主，驱动方式从直流传动转变为交流传动。例如，交流传动和谐型机车己达到7776台，占机车总量的39.7%，担当货物牵引总重的65%，单机功率和单轴功率均处于世界领先水平。②时速160公里交流传动客运机车、30吨轴重货运机车相继诞生(图1_1(a)、(b))。
(a)HXD1D(160km/h客运，2012.03下线）（b)30吨轴重货运机车
图1_1 交流传动和谐型机车
1.1.2 货车
货车主要用以运送货物和为此服务的或原则上编组在货物列车中使用的车辆。由于货物类型千差万别，因此需要多种多样的货车来运送它们。按其用途不同，货车分为通用货车、专用货车和特种货车三大类(典型车型见图1_2)敞车、平车及棚车属于通用货车，可以装的货物类型较多，在货车总数中占的比例较大；罐车、集装箱车、保温车等十余种车属于专用货车，只能运输一种或很少几种货物；救援车、检衡车、发电车、无缝钢轨运送车及除雪车等属于特种货车，可以满足特别用途，目前我国货车总保有87.2万辆，其中国铁货车71.6万辆，约占82.1%;企业自备货车15.6万辆，约占17.9%。国铁货车中，载重60t货车41.4万辆，约占57.8%;载重70t及以上货车30.1万辆，约占42%。
(a)C70型通用敞车
(b)P70、P70H通用棚车
(c)KM70型石渣漏斗车
(d)X系列集装箱车
(e)D38型钳夹式长大货车
图1_2 典型通用货车、专用货车和特种货车
(f)救援车
(g)检衡车
(h)无缝钢轨运送车
(i)除雪车
图1_2 典型通用货车、专用货车和特种货车(续)
货车技术向重载和快运发展，以下技术实现了突破：
(1)低动力作用转向架技术；
(2)车体轻量化；
(3)髙强度车钩、锻造钩尾框及大容量缓冲器技术；
(4)制动技术。
图1_3 所示为几种新型货车及新型转向架。
图1_3 新型货车及新型转向架
图1_3 新型货车及新型转向架(续)
1.1.3 客车
客车的一般特点是两侧墙上有较多的带玻璃的车窗，两车厢连接处有供旅客通过的折棚装置和渡板，有运行品质较好的转向架，车身较长等。客车的主要用途是运送旅客或提供某种为旅客服务的功能。根据用途的不同，铁路客车主要包括硬座车、软座车、硬卧车、软卧车、行李车、餐车、邮政车、试验车等。此外，还有公务车、卫生车、医务车、维修车、文教车、特种车等。按运营的性质或范围可分为轻轨及地铁车辆、市郊客车、高速客车及普通客车。目前我国客车总保有47531辆，其中，国铁客车45419辆、地方及合资铁路公司客车2112辆。国铁客车中，时速160km客车4196辆，约占9.2%;时速140km客车4477辆，约占9.9%;时速120km客车36350辆，约占80%。空调客车占国铁客车总量的82.2%。图1_4为青藏高原旅客列车。
图1_4 青藏高原旅客列车
1.1.4 动车组
传统的列车由机车和车辆组成，在运行时要反复进行列车和机车的编挂。动车组是由动力车和拖车或全部由若干动力车长期固定地连挂在一起组成的车组。动车组按牵引动力形式可分为动力分散式和动力集中式两大类，按转向架的形式又可以分为独立式和铰接式两种，如图1_5~图1_9所示。
图1_5 动车组分类示意图
动力轮对；非动力轮对；动力设备；司机室
图1_6 日本100系高速列车(12M十4T)
图1_7 日本500系全动列车
图1_8 中国CRH380AL动车组(12M十4T)
图1_9 中国CRH380BL动车组(8M十8T)
截至2014年年底，我国动车组总保有量1530标准组(1222列），包含四种产品平台，17种车型，其中200~250km/h速度等级的651标准组(约占42.5%)，300~350km/h速度等级的879标准组(约占57.5%)。四种平台及其动车组产品列表见表1_1。
表1_1 中国动车组研发平台及其产品
动车组九大关键技术如下。
(1)流线型头型。动车组列车采用流线型头型设计，拥有良好的气动外形，而这种气动外形是根据空气动力学的原理设计的，流线型头型技术有效地降低了动车组的空气阻力和噪声。
(2)密强度和气密性。动车组列车由于其很髙的运行时速，在隊道和明线上交会时，均会引起车外较大的压力波动，车外压力波动传入车内会引起空气压力波的波动，从而冲击司乘人员的耳膜，易造成耳鸣、耳痛等问题，带来动车组内压力舒适度的问题。缓解车内压力波的主要技术措施便是提高动车组列车的密强度和气密性。
(3)振动模态。在振动模态方面，如何在轻量化设计目标下，避免车辆产生共振，是高速车体设计面临的主要挑战之一。
(4)高速转向架。高速转向架承担着导向、承载、减振、牵引和制动等功能，是决定高速列车运行安全和运行品质的核心。速度越高，来自轨道的激扰越大，如何保证在高速运行条件下转向架具有足够高的临界速度和结构安全性、优良的减振性能和低轮轨磨耗，是高速列车研发面临的艰巨挑战。
(5)牵引系统。动车组列车牵引系统可以采用动力集中和动力分散两种形式。由于动力分散技术能使动车组轴重有效降低，减小其对于线路的破坏作用，因此绝大部分的 动车组列车都采用动力分散的新技术。
(6)制动系统。列车速度不断提高的同时，还必须能在规定距离和时间之内停车，依靠传统的摩擦制动方法已经不能解决高速列车的制动问题，必须采用动力制动十空气制动。电控制动技术四大优势：制动能力强、响应速度快，制动力分配的准确性和一致性好，故障导向安全，制动冲动小。
(7)弓网受流。高速受电的特点：
①接触网与受电弓的波动特性。高速列车的行驶速度较常速列车高得多，因而电弓沿接触导线移动速度的大大增加，这就是接触网与受电弓的波动特性发生变化，从而对受电产生影响。
②高速列车在高速运行时所受的空气阻力较常速列车大得多，空气动态力也是影响高速受电的一个因素。
③受电弓从接触网大功率受电问题。高速列车所需的牵引较常速列车要大得多，若采用多弓受电必然会增加阻力和加大噪声，并引起接触网的波动干扰，因而受电弓的数量不能太多，这就需要解决受电弓从接触网大功率受电问题。
(8)旅客界面。动车组列车旅客界面理念先进，其设计更多地体现了人性化与舒适性的协调统一。
(9)列车智能化。动车组列车以全息化列车状态感知和动态数字化运行环境为基础、以信息智能处理为支撑，列车不仅首次实现了新兴的物联网技术、传感网技术在大型交通运输装……
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