基于SolidWorks的CRH2輪軸過(guò)盈裝配有限元分析

謝紅太，譚春梅，武振鋒

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150069)

基于SolidWorks的CRH2輪軸過(guò)盈裝配有限元分析

謝紅太1，譚春梅2，武振鋒2

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150069)

利用SolidWorks軟件模擬出高速動(dòng)車組CRH2T輪對(duì)過(guò)盈配合的有限元模型，對(duì)輪軸壓裝完成后的輪座輪轂孔表面接觸應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，通過(guò)創(chuàng)建幾何線提取探測(cè)點(diǎn)的方式研究了過(guò)盈壓裝后輪轂孔內(nèi)表面上的接觸應(yīng)力的曲線變化情況及分布規(guī)律.結(jié)果表明接觸表面接觸應(yīng)力從中間縱截面沿軸向相反方向呈凹二次拋物線變化，以致左右兩端點(diǎn)出現(xiàn)差值為Δ的兩應(yīng)力極點(diǎn).基于SolidWorks Simulation的有限元分析對(duì)目前難以計(jì)算實(shí)驗(yàn)仿真的輪軸過(guò)盈分析提出了一種新的較為可靠的仿真計(jì)算方法.

SolidWorks；CRH2輪對(duì)；過(guò)盈配合；有限元分析

0 引言

輪對(duì)承受著列車的全部載荷，并在重負(fù)載條件下沿軌道高速運(yùn)轉(zhuǎn)，是由兩個(gè)同類型和同材質(zhì)的車輪與一根車軸按規(guī)定壓力和規(guī)定尺寸緊壓配合組裝成的一個(gè)整體，車輪與車軸通過(guò)過(guò)盈關(guān)系聯(lián)接[1-3]，本文研究的輪座輪轂孔表面接觸應(yīng)力，是通過(guò)專用輪對(duì)壓裝機(jī)將高速動(dòng)車組列車CRH2拖車車輪車軸壓裝完成后的T輪對(duì)為基礎(chǔ)的.

目前，國(guó)內(nèi)基于有限元軟件對(duì)車輛輪對(duì)壓裝過(guò)程及壓力曲線做了大量研究分析，但在輪對(duì)壓裝后的輪座輪轂孔表面接觸應(yīng)力方面的研究相對(duì)較少.由于過(guò)盈配合的兩個(gè)接觸面上無(wú)法粘貼應(yīng)變片，目前使用較廣的冷裝法難以對(duì)其壓力狀態(tài)進(jìn)行跟蹤測(cè)定，壓裝后的輪對(duì)質(zhì)量只能根據(jù)鐵標(biāo)中規(guī)定的壓裝曲線進(jìn)行判定，而壓裝曲線是長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累.本文利用SolidWorks公司開(kāi)發(fā)的有限元分析軟件Simulation模擬出CRH2T輪對(duì)的有限元模型[4-5]，分析了壓裝后輪座輪轂孔接觸應(yīng)力大小及分布規(guī)律.

1 SolidWorks Simulation結(jié)構(gòu)有限元分析過(guò)程簡(jiǎn)介

有限元法是一種有限的單元離散某連續(xù)體然后進(jìn)行求解的一種數(shù)值計(jì)算的近似方法. Simulation分析工具目前銷量較高，作為計(jì)算機(jī)嵌入式分析軟件與SolidWorks無(wú)縫集成，能夠提供大量的計(jì)算與分析工具來(lái)對(duì)較為復(fù)雜的零件及裝配體進(jìn)行模擬計(jì)算，測(cè)試和仿真分析.其主要功能模塊有結(jié)構(gòu)計(jì)算與應(yīng)力分析、應(yīng)變計(jì)算分析、產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)、流體模擬仿真、線性與非線性分析等.本文利用Simulation模塊中的冷縮配合機(jī)制對(duì)輪對(duì)的過(guò)盈配合內(nèi)部接觸部進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析.

2 車輪車軸接觸應(yīng)力有限元分析

2.1建立輪對(duì)模型

有限元分析過(guò)程中，網(wǎng)格劃分的越密，幾何模型越復(fù)雜，細(xì)小件越繁多，則計(jì)算機(jī)處理越慢，甚至無(wú)法計(jì)算.相反，減小網(wǎng)格數(shù)量則難以保證模擬計(jì)算的可靠性和準(zhǔn)確性. 在此為了提高工作及計(jì)算機(jī)計(jì)算效率，又在保證不影響有限元分析計(jì)算結(jié)果的條件下，對(duì)上述輪對(duì)的三維模型做簡(jiǎn)化處理，本文所研究的是輪轂孔及輪座壓裝后的接觸應(yīng)力大小及分布規(guī)律，故只引入一個(gè)車輪即可，又因?yàn)檐囕S關(guān)于中截面左右對(duì)稱且存在多處圓角，故可將其簡(jiǎn)化為單輪半車軸模型.

2.2創(chuàng)建有限元模型

(1)創(chuàng)建算例：通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化后的輪對(duì)三維模型進(jìn)行完整的參數(shù)定義，實(shí)現(xiàn)該算例的建立，包括添加模擬約束、設(shè)定產(chǎn)品材料屬性、 模擬增設(shè)外載荷、有限網(wǎng)格劃分及分析類型確定.

(2)定義材料屬性：在新算例運(yùn)行之前，需要設(shè)定所需的產(chǎn)品模型材質(zhì)，在此根據(jù)JIS E4501和JIS E4502標(biāo)準(zhǔn)在SolidWorks Simulation分別設(shè)定車輪車軸的材料為碳素鋼，其屬性參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 碳素鋼屬性表

(3)設(shè)定約束：對(duì)簡(jiǎn)化后的模型車軸中間部分由于左右力及力矩的平衡抵消，在忽略其他因素的干擾下，在此可看做車軸中截面的固定，增設(shè)固定幾何體約束.由于本文所研究的是輪轂孔與輪座接觸面上的應(yīng)力分布，故對(duì)輪對(duì)進(jìn)行約束定義時(shí)，可選擇幾乎不影響接觸應(yīng)力及微小變形的輪緣內(nèi)側(cè)面為固定幾何體，如圖1所示.

圖1 輪對(duì)約束及網(wǎng)格劃分

(4)劃分網(wǎng)格：在SolidWorks Simulation中采用自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一的自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)簡(jiǎn)化后的輪對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示.

(5)施加外載荷：對(duì)輪對(duì)的壓裝模擬可利用Simulation外部載荷模塊中的靜應(yīng)力分析進(jìn)行仿真，設(shè)定輪轂空內(nèi)圓柱面與輪座外圓柱面的相接觸面組為冷縮配合方式.

(6)運(yùn)行算例.

2.3計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 計(jì)算結(jié)果等效應(yīng)力云圖

在上述準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行輪對(duì)簡(jiǎn)化模型的有限元新算例運(yùn)行，得到其應(yīng)力應(yīng)變分布圖，如圖2所示，從中不難看出壓裝后的車輪車軸在兩接觸面上的應(yīng)力應(yīng)變最大，即σmax=1 994MPa，Smax=0.006 87 mm.

(a) 應(yīng)力圖解

(b) 應(yīng)變圖解

2.3.2 接觸面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的選取

SolidWorks Simulation除了可以以圖解的形式表達(dá)有限元的結(jié)果外，還可以將結(jié)果以數(shù)值的形式表示.為了直觀的看清車輪輪轂孔與車軸輪座接觸表面的應(yīng)力分布規(guī)律，在此首先在SolidWorks三維模型中，于車輪的輪轂孔內(nèi)表面上分割出一條幾何直線，此直線平行于車輪軸線.然后導(dǎo)入到有限元分析模塊Simulation中，對(duì)此直線所在的節(jié)利用探測(cè)工具進(jìn)行等比例舉例探測(cè)，從左到右依次選取位于同一直線上不同節(jié)點(diǎn)上的9個(gè)等比例點(diǎn)，即樣點(diǎn)1到樣點(diǎn)9，如圖3所示.

圖3 分割線及樣點(diǎn)的創(chuàng)建

分別將探測(cè)選取的9個(gè)樣點(diǎn)所在節(jié)對(duì)應(yīng)的接觸應(yīng)力及樣點(diǎn)在模型中對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)等參數(shù)提取出來(lái)，見(jiàn)表2.

表2 提取樣點(diǎn)的參數(shù)表

2.3.3 軸向接觸應(yīng)力分布規(guī)律的分析及討論

針對(duì)上述探測(cè)的位于所建分割幾何線的順次等比例提取的9個(gè)采樣點(diǎn)，利用SolidWorks Simulation中的報(bào)告選項(xiàng)圖解，可對(duì)樣點(diǎn)所處節(jié)的輪軸接觸節(jié)應(yīng)力進(jìn)行如圖4所示的應(yīng)力-相對(duì)位移曲線的繪制.

由圖4可知，隨著對(duì)所建分割幾何線上順次等比例選取的9個(gè)采樣點(diǎn)應(yīng)力分布來(lái)看，整個(gè)幾何線上的接觸應(yīng)力呈凹二次拋物線規(guī)律變化，即CRH2T輪對(duì)車輪輪轂孔內(nèi)圓柱面與車軸輪座的外圓柱面的接觸應(yīng)力在中間縱截面上最小，依次沿軸向兩方向逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)所建幾何線的兩端點(diǎn)時(shí)，接觸應(yīng)力值達(dá)到最大.從中可看出樣點(diǎn)1與樣點(diǎn)9所達(dá)到的最大值二者存在一定的差值Δ，這是因?yàn)楦鶕?jù)相關(guān)鐵道裝配標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的，CRH2車輪采用左右兩側(cè)對(duì)稱的直輻板車輪，當(dāng)CRH2車輪的輪轂孔過(guò)盈安裝于車軸的輪座上時(shí)在輪座的左右兩側(cè)所留有的余量ε不同而造成的.采樣點(diǎn)1的接觸應(yīng)力σ1=1 983 MPa，采樣點(diǎn)9的接觸應(yīng)力，σ9=1 970 MPa即σ1gt;σ9，采樣點(diǎn)1所在側(cè)的余量ε0大于采樣點(diǎn)9所在側(cè)的余量ε1.

圖4 分割線上節(jié)應(yīng)力分布

在所有鐵道車輛輪對(duì)的工業(yè)生產(chǎn)裝配中可根據(jù)凹二次拋物線左右兩極點(diǎn)的接觸應(yīng)力模擬，指導(dǎo)選擇可承擔(dān)一定接觸應(yīng)力極限的左右輪座余量，也可從車輪方面考慮車輪輻板的形狀及與輪轂的相對(duì)位置方面協(xié)調(diào)設(shè)計(jì).

從上述所創(chuàng)建的平行于輪對(duì)軸線且處于輪轂孔內(nèi)表面上的分割線上的接觸應(yīng)力分布情況可知，在垂直于該線且過(guò)其上任一點(diǎn)的平面與車輪輪轂孔內(nèi)表面所處圓柱面的交線圓上的接觸應(yīng)力過(guò)圓心大小相等的力.

3 結(jié)論

(1)對(duì)輪對(duì)壓裝完成后的輪軸內(nèi)部難以計(jì)算的接觸應(yīng)力，運(yùn)用了SolidWorks Simulation中的冷縮配合的有限元分析機(jī)制進(jìn)行了輪軸過(guò)盈應(yīng)力數(shù)值模擬計(jì)算;

(2)合理并有效的簡(jiǎn)化了輪對(duì)有限元分析模型，此方法為快速準(zhǔn)確的完成鐵道車輛的輪對(duì)壓裝內(nèi)應(yīng)力分析提供了強(qiáng)有力的工具.此外，在有限元分析過(guò)程中，為了更準(zhǔn)確直觀的反應(yīng)接觸應(yīng)力的分布規(guī)律，應(yīng)特別注意分割幾何線的創(chuàng)建及樣點(diǎn)的提取;

(3)通過(guò)對(duì)CRH2T輪對(duì)車輪輪轂孔內(nèi)表面與車軸輪座外圓柱面壓裝完成后的接觸應(yīng)力有限元分析可知，接觸表面接觸應(yīng)力從中間縱截面沿軸向相反方向呈凹二次拋物線變化，以及對(duì)左右兩應(yīng)力極點(diǎn)的分析，可在當(dāng)前我國(guó)高速鐵路技術(shù)大發(fā)展的背景下，提供一個(gè)可靠的輪對(duì)壓裝接觸應(yīng)力分析方法與工業(yè)裝配制造參考技術(shù).

致謝：感謝蘭州交通大學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃與改革發(fā)展研究項(xiàng)目(FZGH201608)對(duì)本文的資助.

[1]趙華,何翆微,劉建新.機(jī)車輪對(duì)裝配應(yīng)力的數(shù)值分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 1998,20(1)：45-51.

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[3]BRANT STRANTMAN, YONGMING LIU, SANKARAN MAHADEVAN. Fatigue crack initiation life prediction of railroad wheels [J]. International journal of fatigue, 2006(6):747-756.

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FiniteElementAnalysisofInterferenceFitAssemblyofCRH2AxleandWheelbasedonSolidWorks

XIE Hongtai1, TAN Chunmei2, WU Zhenfeng1

(1.School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2.School of Urban Rail Transit, Harbin Railway Technical College, Harbin 150069, China)

SolidWorks software is used to simulate the CRH2 T high speed EMU wheel set finite element analysis model, and the contact stress of the surface of the wheel hub bore and wheel seat after the installation of wheel axle is analyzed by simulation. By creating geometry line extraction and detection point, the variation and distribution of the contact stress are studied on the inner surface of the hub bore after the interference fit. The results show that the contact stress between the longitudinal section along the axial direction is opposite change with two parabolic surface contact, so that a value of Δ appears around two endpoints with two stress maximums. Based on SolidWorks simulation of finite element analysis, a reliable simulation method is proposed for the analysis of the wheel shaft interference which is difficult to calculated.

SolidWorks; CRH2wheel set; interference fit; finite element analysis

1673- 9590(2017)06- 0070- 04

2017- 03-18

甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目(2016A-021)

謝紅太(1993-)，男，副教授，碩士研究生;

武振鋒(1976-)，男，副教授，博士，主要從事三維CAD技術(shù)與應(yīng)用的研究

E-mail1144212853@qq.com.

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