高速轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架性能仿真建模方法

謝素明，楊文平，高 陽

(1.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.中國北國集團 長春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130062)*

0 引言

鐵路運輸向著高速與重載方向發(fā)展，作為列車的主要承載結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的服役條件變得更加惡劣，轉(zhuǎn)向架暴露出的問題越來越多，如:軸箱轉(zhuǎn)臂裂紋、空氣彈簧各部件不同程度的失效和橫向油壓減振器嚴(yán)重漏油等故障［1-2］，對車輛的安全運營產(chǎn)生嚴(yán)重威脅.

目前，對高速轉(zhuǎn)向架開展的主要研究集中在載荷譜編制與性能分析方面.王文靜等對武廣客運專線高速列車運營全工況下的轉(zhuǎn)向架載荷進行了跟蹤測試，編制了構(gòu)架浮沉、側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)與橫向載荷系譜［3］.趙志強分析CRH5A型動車組三級檢修時轉(zhuǎn)向架靜載試驗中存在的問題［4］.張大福等基于京津線的構(gòu)架主要載荷的時間歷程，分析了各種故障工況對CRH3型動車組拖車轉(zhuǎn)向架主要載荷的影響程度關(guān)系［5］.趙波等對某型高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行靜強度和疲勞強度分析與評估［6］.安琪研究了高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架振型和扭轉(zhuǎn)剛度對車輛系統(tǒng)動力學(xué)行為的影響以及構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度對其結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響，提出了扭轉(zhuǎn)柔性構(gòu)架的剛度設(shè)計準(zhǔn)則［7］.

高速動車組轉(zhuǎn)向架承載具有特殊性，在仿真分析其結(jié)構(gòu)性能的各項指標(biāo)時，創(chuàng)建高置信度的分析模型是關(guān)鍵.本文通過研究有限元分析的構(gòu)架及部件變形規(guī)律，總結(jié)高速動車組動車焊接構(gòu)架及其附屬部件的支撐和承載模擬方法.

1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)及承載特點

自主研發(fā)高速動車轉(zhuǎn)向架為無搖枕、轉(zhuǎn)臂式軸箱定位結(jié)構(gòu).焊接構(gòu)架是由兩根側(cè)梁和兩根橫梁組成的H型構(gòu)架.側(cè)梁上焊有定位座、抗蛇形減振器座、垂向減振器座、抗側(cè)滾扭桿座以及制動吊座等;橫梁上焊有電機吊座、齒輪箱吊座、橫向減震器座以及牽引拉桿座;橫梁之間有箱形結(jié)構(gòu)的縱向連接梁，縱向梁上焊有橫向止擋.側(cè)梁、橫梁及縱向連接梁采用高強度耐候鋼板，安裝座和橫梁與側(cè)梁連接部位采用Q345E鍛造而成.

國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)(UIC515-4和UIC615-4)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN13749)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS E4207)以及我國現(xiàn)有的焊接構(gòu)架設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)TB/T1335-1996和TB/T2368-1993構(gòu)架強度設(shè)計方法是轉(zhuǎn)向架試驗載荷及評價的主要標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)架主要承受垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷以及來自附屬結(jié)構(gòu)的慣性載荷等，參見圖1.

圖1 構(gòu)架試驗的主要載荷分布及支撐位置示意圖

2 構(gòu)架性能仿真模型

構(gòu)架性能仿真模型應(yīng)包括的內(nèi)容:焊接構(gòu)架主結(jié)構(gòu)與其上的附屬安裝座結(jié)構(gòu)的有限元建模、對支撐結(jié)構(gòu)的模擬、承受載荷的施加.此外，當(dāng)考察局部安裝座結(jié)構(gòu)強度時，也需要考慮是否將聯(lián)接部位結(jié)構(gòu)納入到仿真模型中.

2.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)建模

H型的構(gòu)架主結(jié)構(gòu)應(yīng)主要離散為三維六面體單元，為了分析出側(cè)梁與橫梁沿厚度方向的應(yīng)力變化梯度，沿板厚方向應(yīng)至少有二層單元.焊接到構(gòu)架上的各種鍛造件(定位座、減振器、吊座等)，當(dāng)需要對焊縫建模時，這些鍛造件以及與構(gòu)架的焊縫主要離散為六面體單元，過渡單元采用四面體單元，見圖2.

圖2 構(gòu)架性能仿真模型局部示意圖

2.2 構(gòu)架支撐模擬

為保證與構(gòu)架靜強度試驗支撐位置(見圖1)的一致性，構(gòu)架性能仿真模型中在構(gòu)架軸箱彈簧位置需建立彈簧單元和約束來垂向支撐構(gòu)架;橫向和縱向支撐需要通過一些“特殊單元”聯(lián)接轉(zhuǎn)臂座和牽引拉桿座，這些“特殊單元”僅向構(gòu)架傳遞載荷.通常借助 ANSYS軟件中的 RBE2和RBE3單元實現(xiàn).RBE屬于多點約束單元，基于一定的模式來控制節(jié)點之間的自由度.RBE2單元是典型的剛性單元，該單元是一個主節(jié)點決定多個從節(jié)點，用來模擬兩個部件成為一體的情況.RBE3單元主節(jié)點位移是從節(jié)點位移的線性組合，通常用于把集中力或力矩分配到實際承載的區(qū)域的各個從節(jié)點上，從節(jié)點得到力之后，各自獨立變形.

考慮到構(gòu)架靜強度試驗時，轉(zhuǎn)臂座處和一系彈簧套筒內(nèi)采用的工裝剛度較大，牽引拉桿座處的剛度相對較小，構(gòu)架性能仿真模型中采用剛性單元RBE2模擬橫向約束，采用柔性單元RBE3模擬縱向約束.分別采用RBE2和RBE3模擬垂向約束時，在垂向載荷作用下構(gòu)架的整體變形云圖如圖3所示.對比構(gòu)架整體變形，采用REB2單元模擬垂向約束時構(gòu)架的變形符合實際加載后構(gòu)架的變形情況.

圖3 垂向載荷下構(gòu)架整體變形云圖

2.3 構(gòu)架主結(jié)構(gòu)和安裝座的加載模擬

構(gòu)架承受的主要垂向載荷是作用在二系空簧座處的載荷.將作用在該處的垂向載荷采用三種方法(均布載荷，RBE2和RBE3)施加，構(gòu)架空簧處的變形云圖如圖4所示.由圖4可以看出:采用RBE2單元的構(gòu)架空簧部位的變形與試驗加載時的變形接近，所以建議空簧處的垂向載荷應(yīng)采用RBE2單元模擬.

圖4 構(gòu)架二系空簧座的局部變形云圖

采用這三種方法，分別模擬構(gòu)架的減震器座、抗側(cè)滾扭桿座、橫向止擋、制動吊座位置處承受載荷.通過對仿真模型中這些承載部位變形與試驗中相關(guān)部位變形的一致性分析，得到采用RBE3模擬減震器座的承載;RBE3單元模擬抗側(cè)滾扭桿座的承載，均布載荷模擬橫向止擋和制動吊座的承載.

2.4 構(gòu)架吊座承載模擬

構(gòu)架承受齒輪箱吊座的垂向載荷后會對構(gòu)架產(chǎn)生較大的附加彎矩，參見圖5(a).分別采用RBE2和RBE3單元模擬吊座的垂向載荷的計算后的齒輪箱吊座變形云圖如圖5所示.從圖5(b)可以看出采用RBE2單元時會大大增加吊座的局部剛度使吊座整體相對于構(gòu)架發(fā)生變形;采用RBE3單元時會減小吊座的剛度使吊座上部分局部變形較大.這些變形與試驗時的變形差別大.進一步考慮吊座與齒輪箱之間的連接部件C型支架結(jié)構(gòu)(參見圖5(d))，分別采用RBE2和RBE3模擬吊座垂向載荷的齒輪箱吊座變形云圖如圖5所示.圖5(f)中齒輪箱吊座和C型支架的變形比較符合試驗時的變形情況.

構(gòu)架承受電機垂向和縱向載荷后也會對構(gòu)架產(chǎn)生很大的附加彎矩.如圖6(a)所示，在對動車構(gòu)架進行電機載荷計算時，采用RBE3單元將電機載荷施加在電機重心位置，此時構(gòu)架電機吊座的變形見圖6(b).顯然由于RBE3單元，每個電機吊座均分載荷，吊座變形差別不大.而構(gòu)架運行過程中電機載荷對每個吊座的影響復(fù)雜，為了更好地模擬電機載荷對各吊座的貢獻，建立電機殼體結(jié)構(gòu)的有限元模型(參見圖6(c))，并調(diào)整其質(zhì)量和重心使其與實際的一致.這時，電機吊座的變形如圖6(d)所示.比較和圖6(b)和圖6(d)，考察構(gòu)架電機座結(jié)構(gòu)強度時，應(yīng)該按照圖6(c)的形式進行建模，即:將電機殼體結(jié)構(gòu)的有限元模型納入到構(gòu)架的分析模型中，才能得到電機吊座合理的結(jié)果.

圖5 構(gòu)架齒輪箱載荷工況下的齒輪箱吊座變形云圖

圖6 構(gòu)架電機載荷工況下的電機吊座變形云圖

3 結(jié)論

依據(jù)構(gòu)架及附屬部件的變形規(guī)律，研究高速動車組動車焊接構(gòu)架及其附屬部件的支撐和承載模擬方法.結(jié)果表明:依據(jù)構(gòu)架試驗載荷分布及支撐條件，構(gòu)架垂向支撐采用彈簧單元與RBE2單元相結(jié)合模擬;橫向支撐采用RBE2單元模擬;縱向支撐采用RBE3單元模擬.二系空簧處的垂向載荷采用RBE2單元模擬;減震器座和抗側(cè)滾扭桿座的承載采用RBE3模擬;均布載荷模擬橫向止擋和制動座的承載.建立動車焊接構(gòu)架性能分析模型時應(yīng)考慮齒輪箱聯(lián)接結(jié)構(gòu)和電機殼體結(jié)構(gòu)剛度的貢獻，從而較為準(zhǔn)確地校核齒輪箱吊座與電機吊座的強度.

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