基于ANSYS的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度及模態(tài)分析

杜文濤

【摘 要】為了驗證某新型鐵路大型養(yǎng)路機械轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)設計的合理性，我們運用大型有限元分析軟件ANSYS結(jié)合有限元理論對其進行計算和分析。分析過程和結(jié)果的評價遵循鐵道行業(yè)標準TB/T 2368-2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》[1]。本文主要通過三個方面的計算分析來驗證其結(jié)構(gòu)設計的合理性：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度計算分析;轉(zhuǎn)向架構(gòu)架自由模態(tài)計算分析;轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強度計算分析。

【關鍵詞】轉(zhuǎn)向架構(gòu)架;ANSYS;有限元;強度;模態(tài);疲勞

中圖分類號： U270.33文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）33-0080-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.038

Strength and Modal Analysis of Bogie Frame Based on ANSYS

DU Wen-tao

（Research Institute，Crcc High-Tech Equipment Corporation Limited，Kunming Yunnan 650215， China）

【Abstract】In order to verify the rationality of the structure design of a new type of large railway maintenance machinery bogie frame we use the large-scale finite element analysis software ANSYS and finite element theory to calculate and analyze it. The evaluation of the analysis process and results follows the Railway Industry Standard TB/T 2368-2005 “Motive power unit-Bogies and running gear-Bogie frame structure strength tests”. In this paper， the rationality of the structure design is verified by three aspects of calculation and analysis： Static Strength Calculation and Analysis of Bogie Frame;Free modal calculation and analysis of bogie frame; Fatigue strength calculation and analysis of bogie frame.

【Key words】Bogie frame; ANSYS; Finite element; Strength; Modality; Fatigue

0 引言

轉(zhuǎn)向架是關系到鐵路機車、車輛及大型養(yǎng)路機械設備運行安全的關鍵零部件。特別是新設計轉(zhuǎn)向架時，對其結(jié)構(gòu)設計的合理性進行計算分析和試驗驗證顯得尤為關鍵。在樣機生產(chǎn)之前對其結(jié)構(gòu)設計的合理性進行分析驗證，能夠很大程度上減小設計風險，降低試驗成本，提高設計的成功率。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點

此轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由橫梁、變截面箱形側(cè)梁、縱向梁組成。此轉(zhuǎn)向架與其他鐵路機車車輛轉(zhuǎn)向架相比具有以下特點：此轉(zhuǎn)向架無芯盤和中心銷，垂向力主要由左右兩旁承承受;橫向力主要由側(cè)梁和橫向減震器傳遞;縱向力主要由牽引座和牽引拉桿傳遞;轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主材質(zhì)為Q345qE，主要安裝座材質(zhì)為Q345D。其主要參數(shù)見表1。

2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型

該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由薄板結(jié)構(gòu)拼焊而成，構(gòu)建有限元模型適合采用4節(jié)點殼單元Shell181對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行離散。轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛裝置通過彈簧單元Combine14進行模擬，輪對通過3-D梁單元Beam188進行模擬，軸箱本身用Rigid剛性梁單元進行模擬。模型采用空間笛卡爾坐標系，在該坐標系下，X軸指向車輛運行方向，Y軸與線路方向垂直，Z軸垂直于軌道平面，正方向為豎直向下。

模型共離散Shell181單元128260個，Beam188梁單元40個，Combine14彈簧單元4個，Cerig剛性梁單元32個。如圖1所示。

3 超常靜載工況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強度計算分析

超常載荷就是驗證轉(zhuǎn)向架在運用時可能出現(xiàn)的最大載荷。在超常載荷工況下，主要考慮轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受垂向力、橫向力和扭曲載荷共同作用的靜強度，對于Q345qE材質(zhì)，其材料的屈服強度為345Mpa，并以此作為其許用應力，評價其是否有發(fā)生永久變形的危險。

3.1 垂向載荷

3.2 橫向載荷（每轉(zhuǎn)向架）

3.3 扭曲試驗載荷

對應于轉(zhuǎn)向架翹曲至一個車輪100%減載時的構(gòu)架扭曲載荷，以分析轉(zhuǎn)向架脫軌時的情況。

3.4 超常載荷計算結(jié)果

超常載荷工況下的最大von_Mises應力278.05MPa，小于材料的屈服強度345MPa，說明在超常載荷作用下結(jié)構(gòu)的靜強度滿足使用要求。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架沒有永久變形的危險。

4 模態(tài)分析

表2 構(gòu)架低階自振頻率與振型

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的模態(tài)計算目的在于分析構(gòu)架自身振動情況，以避免共振等不利行為出現(xiàn)。為了得到轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的振動特性，對此轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用Block Lanczos法進行計算，去除剛體模態(tài)后，提取了前6階模態(tài)，得到了其自振頻率和振型。

模態(tài)分析結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最低階自振頻率已遠離輪軌相互作用引起的車輛剛體振動頻率，能夠確保車輛正常運行。

5 主要運營工況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強度計算分析

按TB/T 2368-2005標準[1]中描述的13種主要運營試驗工況分別對模型施加載荷進行計算。分別對每個節(jié)點求出每一工況下的應力最大值σmax和最小值σmin。得到平均應力和應力幅Δσ。

將結(jié)果描入ORE B12/RP17[1]提供的鋼材疲勞極限圖，即Goodman-Smith疲勞曲線如下：

由圖4和圖5可見，絕大多數(shù)節(jié)點應力特征位于相應的疲勞曲線包絡線范圍內(nèi)，其疲勞強度符合要求。個別節(jié)點略超出了應力極限，但并沒有超出極限應力的20%。在隨后的整個疲勞試驗過程中應對其進行關注。

6 結(jié)論

本文討論了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強度分析，主要由超常載荷工況進行評價;分析了轉(zhuǎn)向架自由模態(tài);分析了轉(zhuǎn)向架疲勞強度，主要由主要運營工況來評價。由以上計算驗證了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的設計較為合理的。希望此計算思路能為今后同類的轉(zhuǎn)向架設計、校核提供必要的參考。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國鐵道部.動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法[S].TB/T 2368-2005.

[2]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析人民交通出版社[M].2007.10.