基于有限元的车轮优化设计方法研究

张澎湃，赵 雷，赵方伟，刘会英

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081;2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

随着铁路车辆速度的提高和轴重的增加，车轮的服役条件越来越苛刻，复杂的多轴交变轮轨力和持续的踏面制动热对车轮设计提出了更高的要求。文献[1-4]对货车840D车轮辐板孔裂纹的统计分析显示，若设计不能满足服役条件，将严重影响车辆运行安全。

目前，车轮设计多依赖于设计人员的经验和熟练程度，但随着对降低簧下质量、减轻轮对质量和提高运用安全盈余的日益重视，传统的产品设计方法已无法快速满足转向架运用需求。本文借鉴完善的数值仿真技术和疲劳可靠性理论，利用有限元优化技术，结合车辆限界、车轮期望质量、静强度和疲劳强度等指标开展车轮优化设计方法的研究，实现数字化优化设计，以缩短产品设计周期，降低人员经验依赖度，提高车轮设计质量。

1 车轮优化设计流程

为提高车轮设计水平，实现数字化设计，结合数值仿真技术制定了车轮优化设计流程(图1)。设计流程以优化设计为主线，结合车轮参数化建模技术、疲劳可靠性评估理论、有限元高效计算和优化设计方法联合开展。

图1 车轮优化设计流程

具体实施步骤：

(1) 针对典型的车轮辐板结构特点，建立相应的车轮参数化模型，将车轮结构尺寸参数如车轮辐板厚度、辐板构造圆弧圆心位置及圆弧半径、毂辋距、辐板向轮辋过渡直线角度、辐板向轮毂过渡直线角度等作为设计变量，并且各变量互相关联；……