基于CAD/CAE技術的軌道車輛構架強度與模態分析

摘 要：本文對CAD/CAE技術在軌道交通行業的使用現狀進行了簡要概括，并以某型動車組轉向架構架為研究對象，對CAD/CAE技術的基本操作流程及可行性進行了說明。首先，通過CAD軟件Por/E建立構架的三維實體模型，采用CAE軟件ANSYS Workbench建立構架的有限元模型，完成了構架的靜強度分析及疲勞強度校核，并對構架的模態進行了分析。分析結果表明，采用CAD/CAE技術有利于設計質量和設計效率的提升，并為后續的優化設計工作提供了分析基礎。

關鍵詞：CAD；CAE；軌道車輛；構架；強度；模態

中圖分類號：U273.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-00178-02

Strength and Modal Analysis of Rail Vehicle Frame Based on CAD/CAE Technology

ZHAO Bo

（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266109，China）

Abstract：This paper briefly summarizes the current situation of the use of CAD/CAE technology in the rail transit industry，and takes a certain type of steering frame as the research object，and explains the basic operation process and feasibility of the CAD/CAE technology. First，the 3D solid model of the frame is established through the CAD software Por/E，and the finite element model of the frame is established by the CAE software ANSYS Workbench. The static strength analysis and fatigue strength checking of the frame are completed，and the modal of the frame is analyzed. The analysis results show that the adoption of CAD/CAE technology is conducive to the improvement of design quality and design efficiency，and provides an analysis basis for subsequent optimization design.

Keywords：CAD；CAE；railway vehicle；frame；strength；modal

0 引 言

我國幅員遼闊、人口眾多，大規模的人口流動需要安全、可靠的交通方式。高速鐵路以安全、快捷、經濟、環保和可靠的特點在我國獲得了快速的發展。截至2017年底，我國的鐵路營業里程達到12.4萬公里，高鐵總里程超過2.2萬公里，建成了以“四縱四橫”高速鐵路為骨架的快速鐵路網。

轉向架是保障軌道車輛安全運行的關鍵部件之一，它對車輛的安全性、舒適性和運行可靠性起著極為重要的作用。構架是轉向架的關鍵零部件之一，是承載和傳力元件，也是轉向架其它各零部件的安裝基礎。為實現車輛的高速化，動車組采用了輕量化的焊接構架。隨著列車運營速度的不斷提高，線路固有頻率范圍加寬，構架的輕量化設計使得構架的固有頻率降低，構架的低階彈性振型可能處于線路的激擾范圍之內，從而使構架的某些部位產生較大的動態變形。因此，構架的強度是決定車輛安全運營的關鍵因素。

在制造型企業中，CAE的目的在于優化和改進產品設計，因此分析應該無縫融入設計過程中。依托相關的分析軟件，準確、有效地記錄建模過程，能夠在設計階段依據設計的理念、產品的型號來改變設計參數，修改模型的尺寸，并保持零件之間的關聯性，這樣就使設計的程序簡單化，對數據的利用會更全面。

為此，本文選取某型動車組構架為研究對象，利用CAD/CAE技術，根據JIS標準，對構架的靜強度及疲勞強度進行了評價，并對構架的模態進行了分析。

1 構架有限元模型的建立

轉向架構架采用H型焊接結構，耐候鋼板焊接而成，鋼板的抗拉強度、屈服許用應力及疲勞許用應力如表1所示。

2 構架強度評價

構架的應力計算結果如圖3和圖4所示。構架的最大應力為130.81MPa，低于材料的疲勞許用應力，滿足標準要求。

3 構架模態分析

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。采用模態分析，確定車體、構架等承載結構的固有頻率和振型，評價車體、構架等結構的剛度協調性，盡量避免結構中的局部應力集中現象。同時模態分析也可以獲得車體、構架等結構的剛度和質量分布程度，并為車體、構架等提供可靠的輕量化設計參數。

選用ANSYS Workbench對構架進行自由模態分析，模態提取階數設置為16階，然后進行求解分析，各階模態下對應的構架的固有頻率如表3所示。

構架的前6階模態為剛體模態，對應的固有頻率為零，沒有振型變化。構架的最低固有頻率為49.059Hz，構架自振頻率較高，遠離輪軌的激振頻率，與車體的振動頻率的耦合性不高，能夠有效地避免與車體發生共振。構架的振型主要為兩側梁的扭轉與彎曲，并具有一定的扭轉彎曲剛度，有利于構架適應線路的不平順。

4 結 論

（1）運用CAD/CAE技術，極大提高了產品設計效率，縮短了設計周期，減少了樣機試制的成本；

（2）運用有限元仿真技術，在設計初期對構架的強度和模態有了基本的了解，為后續的優化設計提供了分析基礎。

參考文獻：

[1] 田合強，蘭清群，鄔平波.CAD/CAE技術在鐵道車輛輪對設計中的應用 [J].機械設計與制造，2008（4）：64-66.

[2] 王文靜，劉志明，李強，等.CRH2動車轉向架構架疲勞強度分析 [J].北京交通大學學報，2009，33（1）：5-9.

作者簡介：趙波（1990-），男，山東菏澤人，技術中心設計師。從事工作為動車組車下制動設備管線設計安裝。