臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在以有限元素法探討電聯車轉向架之靜態應力與振動特性。轉向架是電聯車與鋼軌的主要介面設施，也是車輛的重要支撐，行車之舒適性、安全性及穩定性均有賴轉向架之設計。轉向架的設計應考慮破壞問題，即其是否具有足夠的強度來承載車體，以防止降伏、挫屈或移位之現象產生。同時也應考慮到共振問題，防止轉向架之自然頻率與安裝於車體上的模組件產生共振。本文除對電聯車之轉向架在設計概念及系統間作一些基本介紹外，主要是使用Solidworks軟體來建構轉向架模型，再導入ANSYS軟體以對轉向架之結構應力與自然頻率及模態振形作模擬分析。本文發現有限元素法分析求得之最大等效應力遠小於轉向架框架之容許應力，故為安全之設計；振動分析之結果亦顯示，電聯車轉向架之配置方式，確能有效避免共振的發生。
關鍵詞：電聯車、轉向架、振動、有限元素

The aim of this paper is to analyses the static stress and vibration characteristics for the bogie of Electric Multiple Units (EMU) using the finite element method. The bogie is the major interface facility between EMU and track. The riding quality, safety, stability depend on the design of bogie. The prevention of yielding, buckling, and displacement is very important in bogie design. The strength of bogie structure must be enough to support the vehicle’s body. In the meanwhile, the prevention of vibration resonance is important. The natural frequency and vibration mode of the bogie must be analyzed. The bogie’s model was constructed by using the graphic software, Solid Works. And then the ANSYS software was employed to calculate the structural stress, natural frequency, and mode shape. It was found that the maximum equivalent stress obtained from the finite element analysis is much smaller than the allowable stress of bogie frame. The present deployment of EMU bogie is ensured to be free from resonance.

Keywords : Electric Multiple Units, Bogie, Vibration, Finite Element

誌謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
表錄 VII
圖錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 轉向架簡介 1
1.3 文獻回顧 3
1.4 本文目的 5
第二章 轉向架之設計 9
2.1 轉向架種類及型式 9
2.2 轉向架之基本架構 11
2.3 轉向架介面 13
2.4 轉向架設計參數 13
2.5 轉向架之設計程序 16
2.6 轉向架設計需求 23
第三章 ANSYS有限元素分析介紹 35
3.1 有限元素法原理 35
3.1.1 節點(node)與元素(element) 35
3.1.2 有限元素的處理流程 36
3.2 ANSYS 軟體架構 39
3.3 SolidWorks 軟體介紹 51
3.3.1 SolidWorks特點 51
3.3.2 SolidWorks之設計意念 53
第四章 轉向架之應力分析 55
4.1 轉向架尺寸與材料 55
4.1.1 轉向架尺寸 56
4.1.2 轉向架材料 56
4.1.3 強度標準 57
4-2轉向架有限元素模型建構 57
4.2.1 模型建構與轉換 57
4.2.2 設定元素種類(Element Type) 58
4.2.3 設定元素特性參數(Real constant) 58
4.2.4 定義材料性質 59
4.2.5 模組網格化(Mesh) 59
4.2.6 邊界條件設定 60
4.2.7負載設定 60
4.2.8 求解 63
4.3 結果與分析 63
4.3.1 位移變形量(Deform Shape) 63
4.3.2 最大主應力 64
第五章 轉向架之模態分析 92
5.1 前處理 93
5.2 邊界條件設定與求解 93
5.2.1 邊界條件設定 93
5.2.2 求解 94
5.3 結果與討論 94
第六章 結論與建議 106
參考文獻 118
簡歷 120
表 錄

表2-1 轉向架之分類 33
表2-2 車軸負荷 34
表3-1 邊界條件 44
表4-1 材料特性 56
表4-2 材料性質 57
表4-3 車體重量一覽表 61
表4-4 車體與空氣彈簧負荷條件一覽表 62
表4-5 最大應力分量表 66
表5-1 Type1～ Type4前6種自然頻率共振值(Hz) 97
表5-2 Type1～ Type2模型比較分析頻率(Hz) 97
表5-3 Type3～ Type4模型比較分析頻率(Hz) 98
表5-4 Type1～ Type4模型比較分析頻率(Hz) 98
表5-5 Type2～ Type3模型比較分析頻率(Hz) 99


圖 錄
圖1-1 鋼軌/鋼輪/轉向架示意 7
圖1-2 車輪組合沿革 8
圖1-3 車體與轉向架配置 8
圖2-1 軸數增加負載容量增加 25
圖2-2 單軸及雙軸式轉向架幾何圖 26
圖2-3 轉向架結構示意圖 27
圖2-4 雙軸式動力轉向架結構圖 28
圖2-5 框架本體 29
圖2-6 一次懸吊系統 29
圖2-7 二次懸吊系統 30
圖2-8 剛性框架 30
圖2-9 關節式框架 31
圖2-10 可彎曲式框架 31
圖2-11 獨立式構件框架 31
圖2-12 剎車設備之安裝 32
圖3-1 ANSYS分析處理作業流程 50
圖4-1 轉向架設計方塊圖 67
圖4-2 (a)轉向架標準三視圖 68
圖4-2 (b)轉向架標準等視圖 68
圖4-3 (a)轉向架等視圖 69
圖4-3 (b)轉向架仰視圖 69
圖4-4 ANSYS轉檔後模型 70
圖4-5 Solid 92元素之幾何形狀及節點位置 70
圖4-6 轉向架網格化後圖形(等視圖) 71
圖4-7 轉向架網格化後圖形(俯視圖) 71
圖4-8 轉架邊界條件設定 72
圖4-9 電聯車組聯結 73
圖4-10 轉向架負載設定示意圖 74
圖4-11 轉向架位移變形圖等視圖 75
圖4-12 轉向架位移變形圖仰視圖 76
圖4-13 轉向架之等效應力σv等視圖 77
圖4-14 轉向架之等效應力σv仰視圖 78
圖4-15 轉向架最大等效應力σv 79
圖4-16 轉向架結構(其他位置)較大等效應力σv等視圖 80
圖4-17 轉向架結構(其他位置)較大等效應力σv仰視圖 81
圖4-18 轉向架之應力σx 等視圖 82
圖4-19 轉向架轉向架之應力σy 等視圖 83
圖4-20 轉向架轉向架之應力σz 等視圖 84
圖4-21 轉向架之τxy剪應力等視圖 85
圖4-22 轉向架之τyz剪應力等視圖 86
圖4-23 轉向架之τxz剪應力等視圖 87
圖4-24 轉向架主應力σ1 88
圖4-25 轉向架主應力σ2 89
圖4-26 轉向架主應力σ3 90
圖4-27 轉向架之剖面圖 91
圖5-1 Type 1拘束條件(Node) 100
圖5-2 Type 2拘束條件(Area) 100
圖5-3 Type 3拘束條件(Area) 101
圖5-4 Type 4拘束條件(Node) 101
圖5-5 Type 1 第1~6~模態振形圖及共振頻率 102
圖5-6 Type 2 第1~6~模態振形圖及共振頻率 103
圖5-7 Type 3第1~6~模態振形圖及共振頻率 104
圖5-8 Type 4 第1~6~模態振形圖及共振頻率 105

[1]“捷運車輛最佳化之規劃與設計”財團法人中興工程顧問公司，民國86年。
[2] I. Okamoto,“How Bogie Work”, Japan Railway & Transport Review No.18 pp.52-61.
[3] 王總守，“高運量電聯車轉向架設計製造與測試”，台北市政府捷運工程局機電系統工程處網頁，http://sempo.dorts.gov.tw/tech/tech3.pdf。
[4]H. Scheffel, “Unconventional Bogie Design—Their Practical Basis and Historical Background”, Vehicle System Dynamics, Vol. 24, pp.497-524,1995.
[5]T. S. Wang and Y. M. Huang, “Finite Element Method Analysis of Bogie Static Strength Calculation” , Proceedings of 21’th ROC Symposium on Mechanics, pp. 263-270, 21 December 1995.
[6]詹前祥，“電聯車轉向架設計”，台北都會區大眾捷運系統工程研討會論文集 B；土建及機電設計，pp562-pp570。
[7]王總守，“高運量電聯車雙軸式轉向架設計行車穩定性模擬” 機械月刊第300期，pp.329-339, 2000年7月份。
[8]王總守，“電聯車轉向架設計、安裝靜態/疲勞強度測試之探討(上)”機械月刊第287期，PP.329-339, 1999年6月份。
[9]王總守，“電聯車轉向架設計、安裝靜態/疲勞強度測試之探討(中)”機械月刊第288期，PP.374-384, 1999年8月份。
[10] 王總守，“電聯車轉向架設計、安裝靜態/疲勞強度測試之探討(下)”機械月刊第290期，PP.383-394, 1999年9月份。
[11]王總守，“高運量電聯車轉向架特別技術規範之研究”，國立台灣科技大學，機械工程系，博士論文，民國九十一年。
[12]R. J. Weeks, “The Design and Testing of a Bogie with a Mechanical Steering Linkage”, Proceeding of 10th TAVSD-SYMPOSIUM, Held in Prague, CCSR August 24, Vehicle System Dynamics, Vol.17, pp.458-497, 1987.
[13]C. Oyan, “Structural Strength analysis of the Bogie frame in Taipei rapid transit systems”, Proceedings of the I MECH E Part F Journal of Rail and Rapid Transit, Volume 212, Number 3, 21 December 1998, pp. 253-264.
[14]“捷運車輛技術標準規範：高運量鋼軌車輛規劃基準”，交通部出版，民國85年。
[15]陳坤霖、黃佑民、王總守，“捷運電聯車轉向架設計之探討”，中國機械工程學會第十二屆學術研討會，PP.443-452，84年11月。
[16]王總守、蘇培坤，“CH321/CN331/CC361電聯車標轉向架靜態強度海外檢測報告書”，台北市政府所屬各機關公務出國人員出國報告書，86年4月。
[17]DI Werner Vielhaber， “Developments For Mass Transit Rolling Stock Bogies ” , World Metro Symposium, Taipei, 2002.
[18]H. Claus and W. Schiehlen , “Modeling and Simulation Of Railway Bogie Structural Vibrations” ,DYNAMICS OF VEHICLES on roads and tracks, august 22 1997.
[19]D.E. Newland and R.J. Cassidy, “Suspension and Structure：Some Fundamental Design Considerations for Railway Vehicles”, The Institution of Mechanical Engineers (Railway Davison ), October 1974.