軌道動力車車架結構強度與剛度分析

張治琪 李世蕓 王曉東

摘 ?要： 為了計算軌道動力車車車架的靜強度，保證動力車正常的工作和運行，提出了一種在三維軟件中建模方法與邊界條件的施加方法。運用ANSYS WORKBENCH軟件對車架進行結構靜強度和剛度的有限元分析并與試驗結果對比。結果表明：車架的靜強度和剛度均滿足設計要求，對于同一測試點其仿真分析的應力值與試驗得到的應力值誤差基本在15%以內，結果一致性較好，所提出的方法也可以為其他類型的車架建模及仿真分析提供參考。

關鍵詞： 動力車車架;剛度;強度;ANSYS WORKBENCH

中圖分類號： U260.2+1 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.050

本文著錄格式：張治琪，李世蕓，王曉東，等. 軌道動力車車架結構強度與剛度分析[J]. 軟件，2020，41（01）：229233

【Abstract】： To calculate the static strength of the frame of the track power car and ensure the normal operation of the power car， a method of modeling and applying boundary conditions in three-dimensional software is proposed. ANSYS WORKBENCH software is used to analyze the static strength and stiffness of the frame by finite element method， and the results are compared with the test results. The results show that the static strength and stiffness of the frame meet the design requirements. For the same test point， the error between the stress value of the simulation analysis and the stress value of the test is less than 15%. The results are in good agreement. The proposed method can also provide reference for other types of frame modeling and simulation analysis.

【Key words】： Track power frame; Stiffness; Strength; ANSYS WORKBENCH

0 ?引言

鐵路運輸是我國的主要運輸方式，在國民經濟中起著非常重要的作用[1]。隨著鐵路運輸的快速發展，對鐵路養護和清污機械的需求也在增加。TX-100Ⅱ型鐵路道床吸污車是中國鐵建高新裝備股份有限公司最新研制的專用于運煤專線的大型養路機械，TX-100Ⅱ型鐵路道床吸污車由動力車、主吸車、側吸車三節車組成。本文將對動力車車架進行分析研究。大型養路機械機車車架是整車的基體，是將列車的主要總成和部件連接成整體的金屬架 構[2]，其結構的強度、剛度是否滿足要求將直接影響到車輛的可靠性和安全性。用有限元方法計算車架的強度與剛度常用的有兩種建模的方法，一種是在三維制圖軟件中生成實體模型然后導入到有限元軟件中劃分網格，加載計算[3-5]，但劃分實體模型得到的網格數目較多，因此計算速度較慢，且網格都是空間四面體網格，網格精度低，所以計算結果與實際情況有較大的誤差;另一種方法是建立模型中性面的殼體單元進行劃分網格計算[6-10]。用這種方法計算的結果與實際情況相符，誤差較小。但軌道動力車車架是由大量矩形管焊接而成，矩形管的厚度不相同，建立中性面模型時，垂直連接的矩形管外表面不連續，無法完成網格劃分和有限元計算。

本文提出了在三維繪圖軟件中建立車架外表面片體模型的方法，并將將模型導入到ANSYS WORKBENCH中進行網格劃分，使用可以按方向偏置厚度的殼體單元計算。建立車架外表面模型可以保證整個車架模型的連續性。對片體模型劃分網格，得到的是平面四邊形網格，網格數目小于實體模型的網格，計算速度較快，而按厚度方向偏置后即為空間六面體網格，網格精度高，計算結果與實際值接近，誤差較小。該方法也可以使用于其他類型的車架建模和有限元分析。

1 ?車架簡介

車架長度為23240 mm，寬度為3040 mm，是由兩根工字梁和大量矩形鋼管焊接而成，矩形管厚度有8 mm、10 mm、12.5 mm和16 mm四種類型。車架的結構如圖1所示。

車架心盤距為1800 mm，材料為Q345D，材料參數如表1所示。由于車架部分承載大，為了加強車架的剛度和強度，在垂向上增加了一些輔助結構，用以抵抗車架的垂向變形。

2 ?車架前處理

2.1 ?車架有限元模型

在三維制圖軟件Solid Edge中完成車架的建模。建模過程中，矩形管以及肋板部位均取外表面以保證整個模型的連續，然后將模型導入ANSYS WORKBENCH中進行網格劃分，網格劃分方式為自適應方式，控制網格大小為30 mm，得到的有限元模型如圖2所示。

可以計算出垂向動載荷系數為0.203。根據標 準[12]，縱向拉伸的力為980 KN，縱向的壓力為1180 KN，考慮到列車運行的實際情況，需要在垂向靜載荷的基礎上再加10%以代替車體受到的側向力，因此縱向拉伸時車架所受的載荷為980 KN的拉力+1.3倍垂向靜載荷，拉力作用于車架兩端的受力圓孔面上;縱向壓縮車架所受載荷1180 KN+1.3倍垂向靜載荷，壓力作用的位置與拉伸時相同。垂向靜載荷載以質量點的方式直接與承載位置相連接，連接區域做剛性處理。