CRH380B型動車組非動力轉向架構架有限元分析

李云鵬 王斌

摘要：隨著我國經濟的快速發展，客貨運輸量一直在攀升，為滿足需求，列車速度也一直在提升。2007年4月鐵路第六次大提速，開始投入使用自有品牌CRH系列高速列車，標志著我國鐵路正式進入高速鐵路時代，并探索了中國高速鐵路的技術。經過十多年發展，我國動車組技術已經達到世界領先水平，動車組技術涉及學科相當廣泛，而轉向架又是動車組技術的關鍵，所以高速動車組轉向架構架是目前動車組技術研究的重要方向。本論述主要以我國已在線運行的CRH380B型動車組非動力轉向架構架為研究對象，對其轉向架構架完成三維實體建模，根據國際鐵路聯盟UIC515—4和UIC510—5對其進行有限元分析，對所得數據進行分析，結構進行優化。

關鍵詞：轉向架構架;靜強度;有限元

中圖分類號：U270.33 文獻標志碼：A

1研究背景

隨著我國經濟的快速發展，為滿足客運、貨物運輸需求，從1997年開始至2007年，我國鐵路經歷了六次大提速。2007年4月我國鐵路第六次提速后，開始投入使用自有品牌CRH系列高速列車，標志著我國鐵路正式進入高速鐵路時代，并探索了中國高速鐵路的技術。2004年1月國務院常務會議討論通過《中長期鐵路網規劃》，“十二五”期間大力推動了我國的鐵路建設，現已基本投入使用。其“四縱四橫”客用專線和三個城際客用系統也奠定了我國高速鐵路的發展，推動我國正式進入高鐵時代，并為我國成為鐵路強國打下基礎。

CRH系列動車組是銜接我國普通鐵路領域的快速列車，前期是由我國企業和多家國外企業通過技術合作生產的，后期CRH380系列和中國標準動車組等，均是由我國通過吸收、消化國外先進技術和自主創新新技術，由中國中車集團自主生產。2015年6月在俄國第二大城市圣彼得堡，我國中鐵二院工程集團順利簽訂俄羅斯首條高鐵規劃設計合同，并正式簽署了合同，成為我國高鐵開拓國際市場的第一單。如今我國高鐵已處于世界領先水平，并成功地走出了國門，中國高鐵也成為我國一張強有力的外交名片。

列車的快速發展，一直發展到如今較為先進的高速動車組、磁懸浮列車等，從慢到快一直不能忽視的就是安全性、舒適型和可靠性，首當其沖的是安全性，它是保障列車能夠運營的基本條件。高速鐵路涉及的學科非常廣泛，動車組是其關鍵之一，占據了非常重要的地位，對于動車組的各個部件而言，轉向架直接決定了列車的安全性、舒適性、可靠性。所以研究轉向架是高速列車發展的關鍵所在。本論述主要研究CRH380B型動車轉向架關鍵零部件構架的有限元分析。

2構架建模

CRH380B型動車組轉向架是在比較成熟的高速動車CRH3C轉向架的基礎上經過合理改造而成，針對車輛載重的要求，對轉向架進行輕量化處理并對懸掛參數進一步調整，使其更為經濟和優越。CRH380B型動車組編組方式采用了“4動4拖”的形式，動力配置方式為動力分散式，其中動車轉向架分為動車轉向架（簡稱M）和非動力轉向架（簡稱T），兩者結構大體一致，但是不可以互換使用，本論述主要研究非動力轉向架的重要部件強度分析。表1為CRH380B型轉向架的主要技術參數簡介。

CRH380B型非動力轉向架主要結構和其他動車組轉向架基本一致，都是以構架為主體，使用一系懸掛連接輪對和構架，使用二系連接轉向架與車體。非動力轉向架構架主要由兩個側梁和兩個橫梁焊接而成H形構架，側梁上還安裝焊接有一系垂向減震器，也就是一系彈簧安裝座帽筒、轉臂定位座、抗蛇形減震器座等;橫梁上安裝焊接有牽引拉桿座、制動橫梁等，如圖1所示。

3有限元分析

隨著高速鐵路的普及，速度的提升也伴隨著安全保障的要求，對于鐵道車輛的各個零部件尤其是轉向架的強度要求，也制定出了一定的標準。就目前來看，主要有鐵道國際聯合會UIC標準、日本JIS標準以及歐洲一些國家的標準。CRH380B構架強度根據鐵道國際聯合的UIC 515-4和UIC 615-4標準進行計算（其中非動力轉向架采用的標準為UIC 515-4，動車轉向架采用的標準為UIC 615-4），所選用的材料必須符合EN10025標準，許用應力應滿足DIN 15018標準規定，見表2所列。

有限元法（6nite element method）是一種高效能、常用的數值計算方法。該方法的基本思想是將一個連續的結構分割成若干個單位，通過建立有限元數學模型，最后通過求解得出結果。利用有限元分析實際問題的主要步驟為：建立模型，推導有限元方程列式，求解有限元方程組，數值結果表達。在整個實際問題分析中，我們也可以將步驟分為初步分析、預處理、求解和后處理四個階段。這樣能讓我們更具體的對問題進行分析，有限元法解決問題的基本流程如圖2所示。

3.1構架的有限元模型

利用ANSYS對轉向架構架進行分析：首先將其轉換成有限元模型，為其設定材料屬性整體為結構鋼材料，然后對其進行網格的劃分，根據大量閱讀有關于動車組轉向架強度分析的文摘和論文，可以總結出構架模型的網格劃分一般為20萬到80萬之間，網格劃分在這個范圍之間進行有限元分析，所得出的結果跟實際才會相差不大。

根據CRH380B動車組構架的實際情況，我們還要對構架進一步處理，首先要將結構中焊縫的位置進行過渡處理，還要對構架中較小的孔和倒角進行處理，這樣做主要是為了防止應力集中給所求結果帶來偏差，使后序分析結果有一定保證，也對后期分析能做出正確的參數。結合以上所有前期工作，對網格的劃分Siz-ing設置為10mm，所劃分結果為節點數（Nodes）為1502834，網格數（Elements）為670249。劃分好網格的模型如圖3所示。對于構架的固定約束應為一系彈簧和構架接觸的地方，也就是左右側梁兩端帽筒內端面。

3.2構架載荷計算

根據UIC 515-4標準，對轉向架構架進行靜強度分析的主要目的是為了證實其構架在運行過程中的可行性和安全性。靜強度分析一般分為四大類，分別是在超常載荷強度分析、模擬運行各種載荷下的強度分析、模擬運行過程中特殊載荷的強度分析以及疲勞分析。本論述主要分析超常載荷和模擬主要運行載荷的靜強度分析。

3.2.1超常載荷計算

超常載荷靜強度分析是為了證明在運行工況下，轉向架構架承受最大載荷所產生的作用力時，轉向架是否會產生永久變形的危害。其載荷主要分為垂直載荷和橫向載荷。

注：①非動力轉向架質量m⁺（kg）由表1可查得，取值8000kg;

②在測試載荷下的車輛質量（空載）m-（kg）由表2可查得，取最大的非動力空載時的質量即可，即56520kg;

③測試載荷c2（kg）但由表4查得非動力最大載重時的數據（一般為二等座車廂），取非動力中最大值即可，即6400kg。

（2）橫向載荷作用力

FY（N）=0.5·（Fz+0.5m⁺·g）

在模擬運營載荷分析時還要考慮到直軌、彎道、因為滾動和顫動產生的作用力以及軌道扭曲帶來的影響。

彎道的影響可以解釋為一個橫向作用力和一個滾動力，用垂直作用力的百分比α來表示，α=0.1。

作用力在一定范圍內的變化可以解釋為一個顫動力，用垂直作用力的百分比β來表示，β=O.2。

注：在歐洲鐵路系數α和β的總量為0.3，在全球范圍內都可以比照。不同的操作可能使用其他的系數，如軌道條件明顯比較惡劣的情況下，可使用總量0.4的系數。

（3）模擬運行各個工況的載荷計算見表4所列。

3.3轉向架構架的強度分析

轉向架的靜強度分析，就是在常溫情況下施加靜載荷所做的結構分析，主要是來校核轉向架構架的剛度和強度，也就是構架抵抗變形的能力和承載能力。本章主要進行的是CRH380B型非動力轉向架構架的靜強度分析。

利用ANSYS進行有限元分析，是在軟件界面模擬施加工況載荷，得出構架結構在各個工況下的應力云圖，最后結合構架本身結構，尋找出最為薄弱的結構點也就是應力最大的地方，后期對最為薄弱的結構處進行優化設計。

在力學中強度理論包括四個理論，分別為最大拉應力理論、最大伸長線應變理論、最大切應力理論以及形狀改變比能理論。在對載荷工況校核的時候應該選擇適合的強度理論，并根據不同材料的特點選取破壞形式和引力狀態。在軌道客車強度分析過程中主要選擇應用于脆性斷裂材料的第一強度理論和適用于塑性屈服材料的第四強度理論。

導致結構斷裂或者破壞的主要因素是最大拉應力。當零部件某一部位受到載荷后應力過大，當此處的應力值趨近于該結構材料的極限最大應力值，此時就會發生斷裂或者永久性變形，從而無法保證該結構的完整性和穩定性。

第一強度理論：主應力應小于材料的極限應力，即

σ1≤[σ];

根據上述理論在常溫下進行對轉向架構架的強度分析，主要分析構架在各種工況之下的靜強度，檢驗構架在各種工況下是否都能保證應力小于材料的最大應力值，是否會產生斷裂或者永久變形，從而確保轉向架的強度滿足所需要求，以至于整個動車組的穩定性和安全性。

在利用ANSYS軟件計算有限元時，材料的設定按照CRH380B型轉向架構架材料16MnR低合金結構鋼來設定，通過TB/T2368-2005可以知道16MnR低合金結構鋼的具體參數，許用應力為340MPa，彈性模量為2.9×10⁵，泊松比為0.28。構架結構焊接的焊縫在分析過程中也假設為16MnR低合金結構鋼，所以整個構架的材料均為一種材料。利用ANSYS分析后得到最大應力值、最大應變值以及最大應變值，以及最終可生成應力云圖。

3.3.1超常栽荷強度分析結果

（1）超常載荷強度分析結果（最大應力、最大應變、最大形變）見表5所列。

（2）超常載荷（工況1、2）應力分布云圖如圖4.5所示。

3.3.2模擬運行強度分析結果

（1）模擬運行強度分析結果（最大應力、最大應變、最大形變）見表6所列。

（2）模擬運行（9種工況）應力分布云圖如圖6～14所示。

4結論

通過ANSYS對CRH380B轉向架構架進行了靜強度分析，分別為超載工況和模擬運行工況（總共11種工況）。由上述分析結果來看，所有工況都基本符合構架的材料極限值。構架的最大應力值出現在超載工況時候為228.1MPa，所以該轉向架構架滿足使用要求。如需進一步加強構架，可根據分析結果進行優化，沒有橫向力作用時，最大應力值出現的位置為側梁二系懸掛空氣彈簧安裝座，應在此加厚受力座也可以焊接加強筋來增強此處的承受能力;當有橫向力作用時，最大應力值出現的位置為橫向止檔，建議將焊接成橫向止檔的中間立板加厚。從而保證高速動車組在運行時具有更好的安全性、可靠性及舒適性。