基于ANSYS的轉(zhuǎn)向架安裝強(qiáng)度仿真分析

摘? 要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高速動(dòng)車組得到社會(huì)各界廣泛關(guān)注。轉(zhuǎn)向架是高速列車最關(guān)鍵的部件之一，文章對(duì)轉(zhuǎn)向架安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。利用Hypermesh軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架安裝結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，參照EN 12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)，利用仿真分析軟件ANSYS對(duì)枕梁及邊梁連接螺栓以及連接部件強(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)度的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架;螺栓;仿真分析

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)得到了迅速的發(fā)展。高速動(dòng)車組高效可靠、方便快捷、安全性能高、舒適性能好，得到社會(huì)各界廣泛關(guān)注。轉(zhuǎn)向架作為高速列車最重要的部件之一，擔(dān)負(fù)著整個(gè)列車承載、定位、牽引及制動(dòng)等作用，引導(dǎo)車輛沿既定軌道行使，并在運(yùn)行過程中受到來自各方向的交變載荷，對(duì)列車安全性能和動(dòng)力學(xué)性能至關(guān)重要[1-3]。本文建立了轉(zhuǎn)向架安裝結(jié)構(gòu)有限元模型，并利用仿真分析軟件ANSYS對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，依據(jù)EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)枕梁及邊梁連接螺栓以及相應(yīng)連接部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)其安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1? 轉(zhuǎn)向架安裝結(jié)構(gòu)介紹

動(dòng)車組枕梁連接車體與轉(zhuǎn)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(hào)為鑄鋁101A，底架邊梁由鋁合金型材構(gòu)成，墊板材質(zhì)為5083-H111，安裝滑塊材質(zhì)為S355NL，各部件的材料性能參數(shù)如表1所示。枕梁由6個(gè)M30螺栓和2個(gè)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(nèi)設(shè)置安裝滑塊。螺栓相應(yīng)參數(shù)如表2所示。

2? 有限元模型建立

有限元法是由力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)問題分析的數(shù)值計(jì)算方法，利用最小勢(shì)能原理，將離散的連續(xù)求解區(qū)域從研究對(duì)象中分離出來，形成以某種方式相互連接的有限個(gè)單元的組合，可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)[4]。

利用Hypermesh 14.0軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架安裝結(jié)構(gòu)幾何模型進(jìn)行前處理，對(duì)模型進(jìn)行幾何處理以及網(wǎng)格劃分。Hypermesh是一個(gè)高效的有限元前后處理器，劃分網(wǎng)格功能十分強(qiáng)大，可以直接導(dǎo)入已有的三維CAD模型，能夠建立各種復(fù)雜的有限元模型，然后將得到的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查以及力與約束的加載。并且利用該軟件劃分網(wǎng)格后可以直接導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。

將模型離散為有限元網(wǎng)格，模型主要由四節(jié)點(diǎn)薄殼shell單元與六面體實(shí)體solid單元構(gòu)成。根據(jù)車體實(shí)際運(yùn)行情況，建立如下坐標(biāo)系，X軸為車輛運(yùn)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(shí)體單元，車體底架以及其它部件離散為四節(jié)點(diǎn)薄殼單元。采用實(shí)體單元對(duì)螺栓進(jìn)行模擬，符合螺栓的真實(shí)情況。本計(jì)算針對(duì)安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，轉(zhuǎn)向架重量以質(zhì)量元mass點(diǎn)形式來模擬施加在其重心位置。對(duì)整個(gè)計(jì)算有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)都予以考慮，為使計(jì)算更加準(zhǔn)確，安裝區(qū)域網(wǎng)格劃分更為細(xì)化，從而能夠精細(xì)分析，并對(duì)影響有限元計(jì)算的圓角、倒角、小孔等部位進(jìn)行幾何清理。整個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元模型包括532 786個(gè)單元和749 624個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖1。

在進(jìn)行仿真分析時(shí)，需要設(shè)置約束條件，從而進(jìn)行求解。約束保持與實(shí)際相一致，并進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，保證設(shè)定的模型邊界條件與實(shí)際工況相符合。

3? 靜強(qiáng)度分析

3.1? 螺紋聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算

螺栓在安裝時(shí)，受到預(yù)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(yù)緊力加載在螺栓軸向方向上。可增強(qiáng)聯(lián)接的可靠性和緊密性，防止受載后被聯(lián)接件發(fā)生相對(duì)滑移。

當(dāng)承受軸向工作載荷F后，由于螺栓和被聯(lián)接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力不等于預(yù)緊力F0和工作拉力F之和，而是與預(yù)緊力、工作拉力、螺栓剛度Cb和被聯(lián)接件的剛度Cm有關(guān)。當(dāng)應(yīng)變?cè)趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，各零件受力可根據(jù)靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行分析[5]。螺栓的總拉力F2等于預(yù)緊力加上部分工作載荷，即：

其中，Cb/Cb+Cm為螺栓的相對(duì)剛度，與螺栓及被聯(lián)接件的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、墊片以及工作載荷的作用位置等相關(guān)因素有關(guān)，值在0-1之間。當(dāng)墊片為金屬墊片或無墊片時(shí)，相對(duì)剛度值在0.2到0.3之間;當(dāng)采用皮革墊片時(shí)，相對(duì)剛度值為0.7;當(dāng)采用橡膠墊片時(shí)，相對(duì)剛度值為0.9。為降低螺栓受力，提高螺栓聯(lián)接的承載能力，應(yīng)使螺栓相對(duì)剛度值盡量小[6]。本結(jié)構(gòu)螺栓安裝之間采用金屬墊片進(jìn)行連接，螺栓相對(duì)剛度值設(shè)定為0.3。螺栓預(yù)緊力值大小與緊固力矩T有關(guān)，即：

其中d為螺栓直徑，K為擰緊力系數(shù)，本次計(jì)算取0.2。

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

3.2? 計(jì)算工況

參照EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)枕梁與邊梁連接螺栓強(qiáng)度仿真分析工況進(jìn)行規(guī)定，設(shè)定工況如下：橫向載荷工況為考慮自身重力情況下，對(duì)轉(zhuǎn)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(duì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架重心，具體計(jì)算工況如表3所示。約束條件根據(jù)不同載荷工況具體確定。

3.3? 接觸設(shè)置

接觸問題是非線性分析，利用ANSYS軟件可對(duì)接觸問題進(jìn)行計(jì)算?？紤]剛體—柔體的面—面接觸，采用Targe169和Targe170單元來模擬剛性目標(biāo)面，采用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174單元來模擬柔性接觸面，建立接觸對(duì)[7]。

在建立轉(zhuǎn)向架安裝結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型后，采用接觸對(duì)定義枕梁、邊梁、螺栓、墊板以及安裝滑塊之間的相互作用關(guān)系，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(shè)置接觸;邊梁滑槽內(nèi)設(shè)置安裝滑塊，故在滑塊與邊梁之間設(shè)置接觸;利用墊片、螺母進(jìn)行緊固，故在墊片與枕梁之間設(shè)置接觸，并設(shè)置摩擦系數(shù)值為0.15。

4? 計(jì)算結(jié)果分析

利用仿真分析軟件ANSYS 16.2進(jìn)行分析，ANSYS是一個(gè)多用途的大型通用計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、汽車行業(yè)、鐵路交通等領(lǐng)域，可提供多種求解器進(jìn)行靜力、動(dòng)力分析、熱分析、流體分析、電磁場(chǎng)分析，能夠求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、磁場(chǎng)等問題，后處理功能十分強(qiáng)大。

校核轉(zhuǎn)向架安裝部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及連接位置螺栓強(qiáng)度，對(duì)安裝螺栓、底架邊梁、墊板、安裝滑塊強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)有限元模型及各工況要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性接觸分析求解計(jì)算，得到各種工況條件下各考察部位的Von-Mises應(yīng)力分布，具體應(yīng)力結(jié)果如下所示：

M30螺栓最大Von-Mises應(yīng)力為268.947 MPa，小于屈服強(qiáng)度640 MPa，安全系數(shù)為2.38，發(fā)生在第三工況，應(yīng)力云圖如圖2所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺桿根部位置，螺栓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

M24螺栓最大Von-mises應(yīng)力為257.389 MPa，小于屈服強(qiáng)度640 MPa，安全系數(shù)為2.49，發(fā)生在第四工況，應(yīng)力云圖如圖3所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺桿根部位置，螺栓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

其余連接部件底架邊梁最大應(yīng)力為93.772 MPa，小于屈服強(qiáng)度200 MPa，安全系數(shù)為2.13;墊板最大應(yīng)力為57.375 MPa，小于屈服強(qiáng)度125 MPa，安全系數(shù)為2.18;安裝滑塊最大應(yīng)力為168.25 MPa，小于屈服強(qiáng)度335 MPa，安全系數(shù)為1.99。各連接部件靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5? 結(jié)? 論

本文基于ANSYS有限元分析軟件，依據(jù)EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)某型號(hào)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，評(píng)估枕梁部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及連接位置螺栓強(qiáng)度，得出所有連接部件受力均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。

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作者簡(jiǎn)介：陳靜（1984—），女，漢族，吉林延吉人，副教授，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。