基于ANSYS的轉向架安裝強度仿真分析

摘? 要：隨著經濟發展，高速動車組得到社會各界廣泛關注。轉向架是高速列車最關鍵的部件之一，文章對轉向架安裝結構進行了研究。利用Hypermesh軟件對轉向架安裝結構模型進行網格劃分，參照EN 12663-1：2010標準，利用仿真分析軟件ANSYS對枕梁及邊梁連接螺栓以及連接部件強度進行有限元分析，得出所有連接部件受力均小于材料的屈服強度的結論。

關鍵詞：轉向架;螺栓;仿真分析

中圖分類號：TP391.9? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0167-03

Simulation Analysis of Bogie Installation Strength Based on ANSYS

CHEN Jing

（Changchun College of Electronic Technology， Changchun? 130012， China）

Abstract： With the development of economy， the high-speed EMU has received extensive attention from all walks of life. Bogie is one of the most critical components of high-speed train. This paper studies the installation structure of bogie. Use Hypermesh software to mesh the bogie installation structure model. According to EN 12663-1：2010 standard， the finite element analysis on the strength of connecting bolts and connecting parts of sleeper beam and side beam is conducted by using the simulation analysis software ANSYS， and it is concluded that the stress of all connecting parts is less than the yield strength of the material.

Keywords： bogie; bolt; simulation analysis

0? 引? 言

隨著我國經濟建設的蓬勃發展，交通運輸業得到了迅速的發展。高速動車組高效可靠、方便快捷、安全性能高、舒適性能好，得到社會各界廣泛關注。轉向架作為高速列車最重要的部件之一，擔負著整個列車承載、定位、牽引及制動等作用，引導車輛沿既定軌道行使，并在運行過程中受到來自各方向的交變載荷，對列車安全性能和動力學性能至關重要[1-3]。本文建立了轉向架安裝結構有限元模型，并利用仿真分析軟件ANSYS對其強度進行有限元分析，依據EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵道車輛車體的結構要求》標準的要求，對枕梁及邊梁連接螺栓以及相應連接部件進行強度校核，對其安裝結構的設計具有指導意義。

1? 轉向架安裝結構介紹

動車組枕梁連接車體與轉向架，承受車體垂向載荷以及車鉤縱向載荷。枕梁利用螺栓、滑塊安裝于底架邊梁上，枕梁材料牌號為鑄鋁101A，底架邊梁由鋁合金型材構成，墊板材質為5083-H111，安裝滑塊材質為S355NL，各部件的材料性能參數如表1所示。枕梁由6個M30螺栓和2個M24螺栓與車體底架邊梁相連接，枕梁與邊梁之間安裝有墊板，邊梁滑槽內設置安裝滑塊。螺栓相應參數如表2所示。

2? 有限元模型建立

有限元法是由力學和計算機技術結合發展起來的一種進行工程結構問題分析的數值計算方法，利用最小勢能原理，將離散的連續求解區域從研究對象中分離出來，形成以某種方式相互連接的有限個單元的組合，可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統[4]。

利用Hypermesh 14.0軟件對轉向架安裝結構幾何模型進行前處理，對模型進行幾何處理以及網格劃分。Hypermesh是一個高效的有限元前后處理器，劃分網格功能十分強大，可以直接導入已有的三維CAD模型，能夠建立各種復雜的有限元模型，然后將得到的網格進行質量檢查以及力與約束的加載。并且利用該軟件劃分網格后可以直接導入ANSYS軟件進行有限元分析。

將模型離散為有限元網格，模型主要由四節點薄殼shell單元與六面體實體solid單元構成。根據車體實際運行情況，建立如下坐標系，X軸為車輛運行的方向縱向，Y軸為橫向垂直行車方向，Z軸垂直于軌面，為上下垂直行車方向。枕梁、邊梁、墊板、安裝螺栓以及安裝滑塊為solid實體單元，車體底架以及其它部件離散為四節點薄殼單元。采用實體單元對螺栓進行模擬，符合螺栓的真實情況。本計算針對安裝結構進行強度分析，轉向架重量以質量元mass點形式來模擬施加在其重心位置。對整個計算有貢獻的結構都予以考慮，為使計算更加準確，安裝區域網格劃分更為細化，從而能夠精細分析，并對影響有限元計算的圓角、倒角、小孔等部位進行幾何清理。整個結構的有限元模型包括532 786個單元和749 624個節點，結構的有限元模型見圖1。

在進行仿真分析時，需要設置約束條件，從而進行求解。約束保持與實際相一致，并進行一定簡化，保證設定的模型邊界條件與實際工況相符合。

3? 靜強度分析

3.1? 螺紋聯接強度計算

螺栓在安裝時，受到預緊力F0作用，即在承受工作載荷之前，通過扭矩扳手扭緊，使得預緊力加載在螺栓軸向方向上。可增強聯接的可靠性和緊密性，防止受載后被聯接件發生相對滑移。

當承受軸向工作載荷F后，由于螺栓和被聯接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力不等于預緊力F0和工作拉力F之和，而是與預緊力、工作拉力、螺栓剛度Cb和被聯接件的剛度Cm有關。當應變在彈性變形范圍內，各零件受力可根據靜力平衡和變形協調條件進行分析[5]。螺栓的總拉力F2等于預緊力加上部分工作載荷，即：

其中，Cb/Cb+Cm為螺栓的相對剛度，與螺栓及被聯接件的材料、結構尺寸、墊片以及工作載荷的作用位置等相關因素有關，值在0-1之間。當墊片為金屬墊片或無墊片時，相對剛度值在0.2到0.3之間;當采用皮革墊片時，相對剛度值為0.7;當采用橡膠墊片時，相對剛度值為0.9。為降低螺栓受力，提高螺栓聯接的承載能力，應使螺栓相對剛度值盡量小[6]。本結構螺栓安裝之間采用金屬墊片進行連接，螺栓相對剛度值設定為0.3。螺栓預緊力值大小與緊固力矩T有關，即：

其中d為螺栓直徑，K為擰緊力系數，本次計算取0.2。

本次計算M30螺栓緊固力矩選為900 NM，M24螺栓緊固力矩為450 NM。計算得到螺栓預緊力分別為150 000 N和93 750 N，在ANSYS軟件中建立預緊單元并施加預緊力，進行仿真分析。

3.2? 計算工況

參照EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵道車輛車體的結構要求》標準并結合實際運行情況，對枕梁與邊梁連接螺栓強度仿真分析工況進行規定，設定工況如下：橫向載荷工況為考慮自身重力情況下，對轉向架施加橫向1 g/-1 g的加速度;縱向載荷工況為考慮自身重力情況下，對轉向架施加縱向3 g/-3 g的加速度;垂向沖擊載荷工況為給轉向架施加3 g的垂向加速度。自重施加于整體模型，其余加速度施加于轉向架重心，具體計算工況如表3所示。約束條件根據不同載荷工況具體確定。

3.3? 接觸設置

接觸問題是非線性分析，利用ANSYS軟件可對接觸問題進行計算。考慮剛體—柔體的面—面接觸，采用Targe169和Targe170單元來模擬剛性目標面，采用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174單元來模擬柔性接觸面，建立接觸對[7]。

在建立轉向架安裝結構的實體模型后，采用接觸對定義枕梁、邊梁、螺栓、墊板以及安裝滑塊之間的相互作用關系，從而保證計算結果的準確性。枕梁與邊梁之間安裝有墊板，故在墊板與枕梁之間、墊板與邊梁之間設置接觸;邊梁滑槽內設置安裝滑塊，故在滑塊與邊梁之間設置接觸;利用墊片、螺母進行緊固，故在墊片與枕梁之間設置接觸，并設置摩擦系數值為0.15。

4? 計算結果分析

利用仿真分析軟件ANSYS 16.2進行分析，ANSYS是一個多用途的大型通用計算機輔助分析軟件，廣泛應用于機械工程、汽車行業、鐵路交通等領域，可提供多種求解器進行靜力、動力分析、熱分析、流體分析、電磁場分析，能夠求解結構、流體、電力、磁場等問題，后處理功能十分強大。

校核轉向架安裝部分的結構強度及連接位置螺栓強度，對安裝螺栓、底架邊梁、墊板、安裝滑塊強度進行評估，根據有限元模型及各工況要求，對結構進行非線性接觸分析求解計算，得到各種工況條件下各考察部位的Von-Mises應力分布，具體應力結果如下所示：

M30螺栓最大Von-Mises應力為268.947 MPa，小于屈服強度640 MPa，安全系數為2.38，發生在第三工況，應力云圖如圖2所示。最大應力出現在螺桿根部位置，螺栓強度滿足設計要求。

M24螺栓最大Von-mises應力為257.389 MPa，小于屈服強度640 MPa，安全系數為2.49，發生在第四工況，應力云圖如圖3所示。最大應力出現在螺桿根部位置，螺栓強度滿足設計要求。

其余連接部件底架邊梁最大應力為93.772 MPa，小于屈服強度200 MPa，安全系數為2.13;墊板最大應力為57.375 MPa，小于屈服強度125 MPa，安全系數為2.18;安裝滑塊最大應力為168.25 MPa，小于屈服強度335 MPa，安全系數為1.99。各連接部件靜強度滿足設計要求。

5? 結? 論

本文基于ANSYS有限元分析軟件，依據EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵道車輛車體的結構要求》標準，結合車輛實際運行情況，對某型號動車組轉向架安裝結構進行強度分析，評估枕梁部分的結構強度及連接位置螺栓強度，得出所有連接部件受力均小于材料的屈服強度，滿足設計要求的結論。

參考文獻：

[1] 張明，智鵬鵬.基于Workbench的B型轉向架構架結構優化設計與試驗驗證 [J].機車電傳動，2019（4）：67-71+111.

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[5] 李曉峰，孫瑞，顏楷晨.標準化動車組設備艙螺栓強度分析方法 [J].大連交通大學學報，2020，41（1）：29-34.

[6] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計 [M].北京：高等教育出版社，2013.

[7] 鮑中瀚，毛宇航.基于車用輪轂軸承接觸仿真與模態分析 [J].內燃機與配件，2021（23）：30-31.

作者簡介：陳靜（1984—），女，漢族，吉林延吉人，副教授，機械設計及理論碩士，研究方向：機械設計制造及其自動化。