基于ANSYS的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度及模態(tài)分析

杜文濤

【摘 要】為了驗(yàn)證某新型鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，我們運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS結(jié)合有限元理論對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和分析。分析過程和結(jié)果的評(píng)價(jià)遵循鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2368-2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[1]。本文主要通過三個(gè)方面的計(jì)算分析來驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度計(jì)算分析;轉(zhuǎn)向架構(gòu)架自由模態(tài)計(jì)算分析;轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)向架構(gòu)架;ANSYS;有限元;強(qiáng)度;模態(tài);疲勞

中圖分類號(hào)： U270.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0080-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.038

Strength and Modal Analysis of Bogie Frame Based on ANSYS

DU Wen-tao

（Research Institute，Crcc High-Tech Equipment Corporation Limited，Kunming Yunnan 650215， China）

【Abstract】In order to verify the rationality of the structure design of a new type of large railway maintenance machinery bogie frame we use the large-scale finite element analysis software ANSYS and finite element theory to calculate and analyze it. The evaluation of the analysis process and results follows the Railway Industry Standard TB/T 2368-2005 “Motive power unit-Bogies and running gear-Bogie frame structure strength tests”. In this paper， the rationality of the structure design is verified by three aspects of calculation and analysis： Static Strength Calculation and Analysis of Bogie Frame;Free modal calculation and analysis of bogie frame; Fatigue strength calculation and analysis of bogie frame.

【Key words】Bogie frame; ANSYS; Finite element; Strength; Modality; Fatigue

0 引言

轉(zhuǎn)向架是關(guān)系到鐵路機(jī)車、車輛及大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備運(yùn)行安全的關(guān)鍵零部件。特別是新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證顯得尤為關(guān)鍵。在樣機(jī)生產(chǎn)之前對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析驗(yàn)證，能夠很大程度上減小設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，降低試驗(yàn)成本，提高設(shè)計(jì)的成功率。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

此轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由橫梁、變截面箱形側(cè)梁、縱向梁組成。此轉(zhuǎn)向架與其他鐵路機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架相比具有以下特點(diǎn)：此轉(zhuǎn)向架無芯盤和中心銷，垂向力主要由左右兩旁承承受;橫向力主要由側(cè)梁和橫向減震器傳遞;縱向力主要由牽引座和牽引拉桿傳遞;轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主材質(zhì)為Q345qE，主要安裝座材質(zhì)為Q345D。其主要參數(shù)見表1。

2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型

該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由薄板結(jié)構(gòu)拼焊而成，構(gòu)建有限元模型適合采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell181對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行離散。轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛裝置通過彈簧單元Combine14進(jìn)行模擬，輪對(duì)通過3-D梁?jiǎn)卧狟eam188進(jìn)行模擬，軸箱本身用Rigid剛性梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下，X軸指向車輛運(yùn)行方向，Y軸與線路方向垂直，Z軸垂直于軌道平面，正方向?yàn)樨Q直向下。

模型共離散Shell181單元128260個(gè)，Beam188梁?jiǎn)卧?0個(gè)，Combine14彈簧單元4個(gè)，Cerig剛性梁?jiǎn)卧?2個(gè)。如圖1所示。

3 超常靜載工況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度計(jì)算分析

超常載荷就是驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架在運(yùn)用時(shí)可能出現(xiàn)的最大載荷。在超常載荷工況下，主要考慮轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受垂向力、橫向力和扭曲載荷共同作用的靜強(qiáng)度，對(duì)于Q345qE材質(zhì)，其材料的屈服強(qiáng)度為345Mpa，并以此作為其許用應(yīng)力，評(píng)價(jià)其是否有發(fā)生永久變形的危險(xiǎn)。

3.1 垂向載荷

3.2 橫向載荷（每轉(zhuǎn)向架）

3.3 扭曲試驗(yàn)載荷

對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)向架翹曲至一個(gè)車輪100%減載時(shí)的構(gòu)架扭曲載荷，以分析轉(zhuǎn)向架脫軌時(shí)的情況。

3.4 超常載荷計(jì)算結(jié)果

超常載荷工況下的最大von_Mises應(yīng)力278.05MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度345MPa，說明在超常載荷作用下結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度滿足使用要求。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架沒有永久變形的危險(xiǎn)。

4 模態(tài)分析

表2 構(gòu)架低階自振頻率與振型

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的模態(tài)計(jì)算目的在于分析構(gòu)架自身振動(dòng)情況，以避免共振等不利行為出現(xiàn)。為了得到轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，對(duì)此轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用Block Lanczos法進(jìn)行計(jì)算，去除剛體模態(tài)后，提取了前6階模態(tài)，得到了其自振頻率和振型。

模態(tài)分析結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最低階自振頻率已遠(yuǎn)離輪軌相互作用引起的車輛剛體振動(dòng)頻率，能夠確保車輛正常運(yùn)行。

5 主要運(yùn)營(yíng)工況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析

按TB/T 2368-2005標(biāo)準(zhǔn)[1]中描述的13種主要運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)工況分別對(duì)模型施加載荷進(jìn)行計(jì)算。分別對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)求出每一工況下的應(yīng)力最大值σmax和最小值σmin。得到平均應(yīng)力和應(yīng)力幅Δσ。

將結(jié)果描入ORE B12/RP17[1]提供的鋼材疲勞極限圖，即Goodman-Smith疲勞曲線如下：

由圖4和圖5可見，絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力特征位于相應(yīng)的疲勞曲線包絡(luò)線范圍內(nèi)，其疲勞強(qiáng)度符合要求。個(gè)別節(jié)點(diǎn)略超出了應(yīng)力極限，但并沒有超出極限應(yīng)力的20%。在隨后的整個(gè)疲勞試驗(yàn)過程中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行關(guān)注。

6 結(jié)論

本文討論了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度分析，主要由超常載荷工況進(jìn)行評(píng)價(jià);分析了轉(zhuǎn)向架自由模態(tài);分析了轉(zhuǎn)向架疲勞強(qiáng)度，主要由主要運(yùn)營(yíng)工況來評(píng)價(jià)。由以上計(jì)算驗(yàn)證了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的設(shè)計(jì)較為合理的。希望此計(jì)算思路能為今后同類的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)、校核提供必要的參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法[S].TB/T 2368-2005.

[2]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析人民交通出版社[M].2007.10.