CRH380B型動車組非動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析

李云鵬 王斌

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，客貨運(yùn)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(biāo)志著我國鐵路正式進(jìn)入高速鐵路時代，并探索了中國高速鐵路的技術(shù)。經(jīng)過十多年發(fā)展，我國動車組技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，動車組技術(shù)涉及學(xué)科相當(dāng)廣泛，而轉(zhuǎn)向架又是動車組技術(shù)的關(guān)鍵，所以高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是目前動車組技術(shù)研究的重要方向。本論述主要以我國已在線運(yùn)行的CRH380B型動車組非動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對象，對其轉(zhuǎn)向架構(gòu)架完成三維實(shí)體建模，根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟UIC515—4和UIC510—5對其進(jìn)行有限元分析，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架;靜強(qiáng)度;有限元

中圖分類號：U270.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為滿足客運(yùn)、貨物運(yùn)輸需求，從1997年開始至2007年，我國鐵路經(jīng)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(biāo)志著我國鐵路正式進(jìn)入高速鐵路時代，并探索了中國高速鐵路的技術(shù)。2004年1月國務(wù)院常務(wù)會議討論通過《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，“十二五”期間大力推動了我國的鐵路建設(shè)，現(xiàn)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(tǒng)也奠定了我國高速鐵路的發(fā)展，推動我國正式進(jìn)入高鐵時代，并為我國成為鐵路強(qiáng)國打下基礎(chǔ)。

CRH系列動車組是銜接我國普通鐵路領(lǐng)域的快速列車，前期是由我國企業(yè)和多家國外企業(yè)通過技術(shù)合作生產(chǎn)的，后期CRH380系列和中國標(biāo)準(zhǔn)動車組等，均是由我國通過吸收、消化國外先進(jìn)技術(shù)和自主創(chuàng)新新技術(shù)，由中國中車集團(tuán)自主生產(chǎn)。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(tuán)順利簽訂俄羅斯首條高鐵規(guī)劃設(shè)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(lǐng)先水平，并成功地走出了國門，中國高鐵也成為我國一張強(qiáng)有力的外交名片。

列車的快速發(fā)展，一直發(fā)展到如今較為先進(jìn)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(dāng)其沖的是安全性，它是保障列車能夠運(yùn)營的基本條件。高速鐵路涉及的學(xué)科非常廣泛，動車組是其關(guān)鍵之一，占據(jù)了非常重要的地位，對于動車組的各個部件而言，轉(zhuǎn)向架直接決定了列車的安全性、舒適性、可靠性。所以研究轉(zhuǎn)向架是高速列車發(fā)展的關(guān)鍵所在。本論述主要研究CRH380B型動車轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件構(gòu)架的有限元分析。

2構(gòu)架建模

CRH380B型動車組轉(zhuǎn)向架是在比較成熟的高速動車CRH3C轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上經(jīng)過合理改造而成，針對車輛載重的要求，對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行輕量化處理并對懸掛參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整，使其更為經(jīng)濟(jì)和優(yōu)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(zhuǎn)向架分為動車轉(zhuǎn)向架（簡稱M）和非動力轉(zhuǎn)向架（簡稱T），兩者結(jié)構(gòu)大體一致，但是不可以互換使用，本論述主要研究非動力轉(zhuǎn)向架的重要部件強(qiáng)度分析。表1為CRH380B型轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)簡介。

CRH380B型非動力轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)和其他動車組轉(zhuǎn)向架基本一致，都是以構(gòu)架為主體，使用一系懸掛連接輪對和構(gòu)架，使用二系連接轉(zhuǎn)向架與車體。非動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由兩個側(cè)梁和兩個橫梁焊接而成H形構(gòu)架，側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架的強(qiáng)度要求，也制定出了一定的標(biāo)準(zhǔn)。就目前來看，主要有鐵道國際聯(lián)合會UIC標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)以及歐洲一些國家的標(biāo)準(zhǔn)。CRH380B構(gòu)架強(qiáng)度根據(jù)鐵道國際聯(lián)合的UIC 515-4和UIC 615-4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算（其中非動力轉(zhuǎn)向架采用的標(biāo)準(zhǔn)為UIC 515-4，動車轉(zhuǎn)向架采用的標(biāo)準(zhǔn)為UIC 615-4），所選用的材料必須符合EN10025標(biāo)準(zhǔn)，許用應(yīng)力應(yīng)滿足DIN 15018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，見表2所列。

有限元法（6nite element method）是一種高效能、常用的數(shù)值計算方法。該方法的基本思想是將一個連續(xù)的結(jié)構(gòu)分割成若干個單位，通過建立有限元數(shù)學(xué)模型，最后通過求解得出結(jié)果。利用有限元分析實(shí)際問題的主要步驟為：建立模型，推導(dǎo)有限元方程列式，求解有限元方程組，數(shù)值結(jié)果表達(dá)。在整個實(shí)際問題分析中，我們也可以將步驟分為初步分析、預(yù)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(jìn)行分析，有限元法解決問題的基本流程如圖2所示。

3.1構(gòu)架的有限元模型

利用ANSYS對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行分析：首先將其轉(zhuǎn)換成有限元模型，為其設(shè)定材料屬性整體為結(jié)構(gòu)鋼材料，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，根據(jù)大量閱讀有關(guān)于動車組轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度分析的文摘和論文，可以總結(jié)出構(gòu)架模型的網(wǎng)格劃分一般為20萬到80萬之間，網(wǎng)格劃分在這個范圍之間進(jìn)行有限元分析，所得出的結(jié)果跟實(shí)際才會相差不大。

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

3.2構(gòu)架載荷計算

根據(jù)UIC 515-4標(biāo)準(zhǔn)，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析的主要目的是為了證實(shí)其構(gòu)架在運(yùn)行過程中的可行性和安全性。靜強(qiáng)度分析一般分為四大類，分別是在超常載荷強(qiáng)度分析、模擬運(yùn)行各種載荷下的強(qiáng)度分析、模擬運(yùn)行過程中特殊載荷的強(qiáng)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(yùn)行載荷的靜強(qiáng)度分析。

3.2.1超常載荷計算

超常載荷靜強(qiáng)度分析是為了證明在運(yùn)行工況下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受最大載荷所產(chǎn)生的作用力時，轉(zhuǎn)向架是否會產(chǎn)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(zhuǎn)向架質(zhì)量m⁺（kg）由表1可查得，取值8000kg;

②在測試載荷下的車輛質(zhì)量（空載）m-（kg）由表2可查得，取最大的非動力空載時的質(zhì)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(shù)據(jù)（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(yùn)營載荷分析時還要考慮到直軌、彎道、因?yàn)闈L動和顫動產(chǎn)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(nèi)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(shù)α和β的總量為0.3，在全球范圍內(nèi)都可以比照。不同的操作可能使用其他的系數(shù)，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(shù)。

（3）模擬運(yùn)行各個工況的載荷計算見表4所列。

3.3轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度分析

轉(zhuǎn)向架的靜強(qiáng)度分析，就是在常溫情況下施加靜載荷所做的結(jié)構(gòu)分析，主要是來校核轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的剛度和強(qiáng)度，也就是構(gòu)架抵抗變形的能力和承載能力。本章主要進(jìn)行的是CRH380B型非動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度分析。

利用ANSYS進(jìn)行有限元分析，是在軟件界面模擬施加工況載荷，得出構(gòu)架結(jié)構(gòu)在各個工況下的應(yīng)力云圖，最后結(jié)合構(gòu)架本身結(jié)構(gòu)，尋找出最為薄弱的結(jié)構(gòu)點(diǎn)也就是應(yīng)力最大的地方，后期對最為薄弱的結(jié)構(gòu)處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

在力學(xué)中強(qiáng)度理論包括四個理論，分別為最大拉應(yīng)力理論、最大伸長線應(yīng)變理論、最大切應(yīng)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(yīng)該選擇適合的強(qiáng)度理論，并根據(jù)不同材料的特點(diǎn)選取破壞形式和引力狀態(tài)。在軌道客車強(qiáng)度分析過程中主要選擇應(yīng)用于脆性斷裂材料的第一強(qiáng)度理論和適用于塑性屈服材料的第四強(qiáng)度理論。

導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂或者破壞的主要因素是最大拉應(yīng)力。當(dāng)零部件某一部位受到載荷后應(yīng)力過大，當(dāng)此處的應(yīng)力值趨近于該結(jié)構(gòu)材料的極限最大應(yīng)力值，此時就會發(fā)生斷裂或者永久性變形，從而無法保證該結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。

第一強(qiáng)度理論：主應(yīng)力應(yīng)小于材料的極限應(yīng)力，即

σ1≤[σ];

根據(jù)上述理論在常溫下進(jìn)行對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度分析，主要分析構(gòu)架在各種工況之下的靜強(qiáng)度，檢驗(yàn)構(gòu)架在各種工況下是否都能保證應(yīng)力小于材料的最大應(yīng)力值，是否會產(chǎn)生斷裂或者永久變形，從而確保轉(zhuǎn)向架的強(qiáng)度滿足所需要求，以至于整個動車組的穩(wěn)定性和安全性。

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

3.3.1超常栽荷強(qiáng)度分析結(jié)果

（1）超常載荷強(qiáng)度分析結(jié)果（最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大形變）見表5所列。

（2）超常載荷（工況1、2）應(yīng)力分布云圖如圖4.5所示。

3.3.2模擬運(yùn)行強(qiáng)度分析結(jié)果

（1）模擬運(yùn)行強(qiáng)度分析結(jié)果（最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大形變）見表6所列。

（2）模擬運(yùn)行（9種工況）應(yīng)力分布云圖如圖6～14所示。

4結(jié)論

通過ANSYS對CRH380B轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，分別為超載工況和模擬運(yùn)行工況（總共11種工況）。由上述分析結(jié)果來看，所有工況都基本符合構(gòu)架的材料極限值。構(gòu)架的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在超載工況時候?yàn)?28.1MPa，所以該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架滿足使用要求。如需進(jìn)一步加強(qiáng)構(gòu)架，可根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，沒有橫向力作用時，最大應(yīng)力值出現(xiàn)的位置為側(cè)梁二系懸掛空氣彈簧安裝座，應(yīng)在此加厚受力座也可以焊接加強(qiáng)筋來增強(qiáng)此處的承受能力;當(dāng)有橫向力作用時，最大應(yīng)力值出現(xiàn)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(yùn)行時具有更好的安全性、可靠性及舒適性。