CRH2型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)仿真分析及優(yōu)化

徐祥書，李廣軍，錢佳林

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引言

CRH2型動(dòng)車組為動(dòng)力分布式、交流傳動(dòng)的電力動(dòng)車組。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是整個(gè)車組結(jié)構(gòu)里面的關(guān)鍵組件，它支撐著車體車廂與乘客重量，轉(zhuǎn)接呈遞各部分載荷及作用力，近年來已有大量研究人員對高速列車的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了研究和分析［1］。陳道云等［2］以某型高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為對象,研究了高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架載荷識(shí)別與分布特性。智鵬鵬等［3］運(yùn)用APDL語言建立構(gòu)架的參數(shù)化模型，以先進(jìn)的方法對構(gòu)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性分析，對設(shè)計(jì)參數(shù)的變化和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究。唐永明等［4］建立實(shí)體單元和殼、實(shí)體混合的構(gòu)架有限元計(jì)算模型，按照強(qiáng)度試驗(yàn)載荷工況對構(gòu)架進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，并對比分析了強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的差異。王洪嬌等［5］根據(jù)有限元分析理論及相關(guān)強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，建立構(gòu)架計(jì)算模型,確定構(gòu)架的載荷工況，將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。杜子學(xué)等［6］用hyper mesh建立地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元模型，確定了在5種工況下構(gòu)架的載荷及邊界約束條件，對構(gòu)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。張凱函等［7］針對西安地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，采用ANSYS程序模擬計(jì)算了西安地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超常載荷、特殊載荷、運(yùn)營載荷工況下的最大應(yīng)力值，并對構(gòu)架各關(guān)鍵點(diǎn)的許用應(yīng)力進(jìn)行了評估。孔凡國等［8］針對廣州地鐵3號(hào)線動(dòng)車模型，建立三維實(shí)體模型，對轉(zhuǎn)向架部分通過有限元分析，進(jìn)行了超常載荷、模擬運(yùn)營載荷、模擬特殊運(yùn)營載荷的計(jì)算和分析。王文靜等［9］針對CRH2型動(dòng)車組動(dòng)車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架，進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評估。上述文章都是以靜強(qiáng)度分析為主進(jìn)行轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的分析與研究，為本文提供了仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作的基礎(chǔ)借鑒。王斌杰等［10］以實(shí)際運(yùn)用環(huán)境下對構(gòu)架載荷進(jìn)行研究，從而提升了構(gòu)架的疲勞可靠性。崔曉芳等［11］用焊接收縮力法和有限元分析軟件對高速動(dòng)力車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架總成及各組成梁進(jìn)行焊接變形預(yù)測。張鎖懷等［12］計(jì)算了構(gòu)架強(qiáng)度分析的主要載荷，考慮了輔助載荷對疲勞強(qiáng)度的影響，并對靜強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算與評定，用Goodman疲勞強(qiáng)度極限圖對疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了評定。戰(zhàn)立超等［13］分析了高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架在不同運(yùn)用工況下的疲勞強(qiáng)度。張明等［14］建立B型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元模型，基于Workbench的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，對優(yōu)化設(shè)計(jì)后的構(gòu)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。宋慶偉等［15］針對某項(xiàng)目轉(zhuǎn)向架構(gòu)架使用壽命無法滿足運(yùn)營要求的情況，通過線路動(dòng)應(yīng)力測試數(shù)據(jù)時(shí)域圖和頻域圖的對比分析，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案。上述文章都是以疲勞強(qiáng)度為主對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了分析與研究，為本文的仿真研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。

上述相關(guān)研究多以轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強(qiáng)度分析與研究為主，而針對不同材料在超載工況下的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的對比研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)相對較少。本文借助CATIA軟件和ANSYS軟件用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q345R和鋁合金2024，對CRH2型動(dòng)車組列車上的SKMB-200型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超載工況下的靜強(qiáng)度進(jìn)行對比研究，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的力學(xué)分析

1.1 經(jīng)中央彈簧傳遞的垂直載荷

CRH2型動(dòng)車屬于非心盤車輛。對于非心盤車輛，車體的載荷通過轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的中央彈簧或兩側(cè)軸承將載荷傳遞至轉(zhuǎn)向架［16］，如圖 1 所示。

圖1 構(gòu)架在垂直載荷作用下的受力情況

1.2 構(gòu)架受力

構(gòu)架在側(cè)向力引起的附加垂直載荷作用下的受力情況如圖2所示。與在垂直靜載荷下的受力不同，圖中處于曲線外側(cè)的4個(gè)軸箱彈簧對構(gòu)架的作用力向上，而內(nèi)側(cè)的則向下，每一彈簧作用力的數(shù)值等于。軸箱彈簧對構(gòu)架的作用力系應(yīng)由作用在構(gòu)架搖動(dòng)臺(tái)吊桿銷孔處的Pn力系平衡，即

圖2 側(cè)向力載荷作用下的受力情況

式（1）中，t為構(gòu)架搖動(dòng)臺(tái)吊桿銷孔間的橫向水平距離，單位為m；b2為輪對兩軸頸中心線間的水平距離，單位為m；Pf為彈簧的作用力，單位為N。

1.3 垂直斜對稱載荷

垂直斜對稱載荷是一組垂直作用在構(gòu)架軸箱部位的自相平衡的力系，此力系對于構(gòu)架的縱向和橫向中心平面均呈反對稱分布，如圖3所示。

圖3 垂直對稱載荷情況

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常把許多因素的綜合影響看成轉(zhuǎn)向架上某一車輪在軌道上升或下沉一個(gè)值，而其他因素均認(rèn)為是正常的。經(jīng)過分析和推導(dǎo)，得到垂直斜對稱載荷（N）的計(jì)算公式為

式（2）中：K1為一個(gè)軸向彈簧的總剛度，單位為N/cm；K2為構(gòu)架抵抗垂直斜對稱載荷的剛度，單位為N/cm；b1為輪對兩軸頸中心線之間的水平距離，單位為cm；b2為輪對兩軸頸中心線間的水平距離，單位為cm。

2 構(gòu)架模型結(jié)構(gòu)及有限元分析

2.1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的模型

2.1.1 構(gòu)架的類型、連接以及尺寸

H型構(gòu)架的結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、方便檢修、自身重力小，能夠符合不同軌道車輛的設(shè)計(jì)要求。構(gòu)架與車體通過空氣彈簧連接，對列車運(yùn)營的平穩(wěn)性及舒適性起到關(guān)鍵作用；構(gòu)架與軸箱通過圓錐橡膠彈簧連接，使得力最先作用于圓錐橡膠彈簧上，具體尺寸如表1所示。

表1 構(gòu)架具體尺寸 單位：mm

2.1.2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的總體骨架結(jié)構(gòu)，通過焊接，將兩個(gè)側(cè)梁、兩個(gè)連接梁、兩個(gè)橫梁和空氣彈簧支撐座連接，焊接成H型，構(gòu)架組成如圖4所示。

圖4 構(gòu)架裝配圖

2.2 有限元分析流程

利用計(jì)算機(jī)三維人機(jī)交互軟件CATIA建立模型，用ANSYS Workbench對構(gòu)架是否合格進(jìn)行驗(yàn)證，具體流程如圖5所示。從圖中可見，只需根據(jù)計(jì)算原理確定CATIA三維模型、準(zhǔn)備原始數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果的整理和分析，其余的步驟都可以由計(jì)算機(jī)軟件來完成。

圖5 有限元結(jié)構(gòu)分析流程圖

（1）結(jié)合工程學(xué)原理，運(yùn)用CATIA三維軟件建立并分析車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的三維模型。

（2）利用ANSYS Workbench進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的輸入和模型求解的定義。

（3）通過ANSYS Workbench進(jìn)行結(jié)果的整理和判斷，若評估合格，則設(shè)計(jì)完成，輸出CATIA構(gòu)架模型；否則，返回修改構(gòu)架模型。

2.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.3.1 材料信息

將CATIA中建立的地鐵座椅模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，然后輸入材料屬性。本文對兩種不同材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行對比分析，在前期處理時(shí)輸入相應(yīng)材料的彈性模量和泊松比，其中鋁合金與碳素鋼的材料屬性如表2所示。

表2 碳素鋼Q345R與鋁合金2024的材料屬性

2.3.2 載荷計(jì)算

根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC615-4，可以得到15種不同工況條件，包括2種超常載荷條件和13種模擬運(yùn)營工況載荷條件［17］。限于篇幅，本文選擇其中一種超常載荷條件工況進(jìn)行分析。下面是該超載載荷計(jì)算過程：

（1）計(jì)算超載運(yùn)營時(shí)的基本垂向力：

式（3）中：Fz為運(yùn)行時(shí)的基本垂向力，單位為N；g為重力加速度，取9.8 m/s2；mv為運(yùn)行階段空車質(zhì)量，取35 880 kg；c2為額定載員質(zhì)量，取19 200 kg；m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，取7 500 kg；nb為單個(gè)車廂下轉(zhuǎn)向架數(shù)量，取nb=2。

（2）計(jì)算超載運(yùn)營時(shí)的基本橫向力：

式（4）中：Fy為運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架承受的橫向力，單位為N；c1為額定載員質(zhì)量，取24 160 kg；ne為每臺(tái)轉(zhuǎn)向架的輪對數(shù)量，取ne=2。

（3）計(jì)算垂直斜對稱載荷。根據(jù)文獻(xiàn)［18］在超常工況下的斜對稱載荷，可得垂向斜對稱載荷約為10 kN，使得在對角同向施加的運(yùn)營載荷模擬量p=10kN。

3 構(gòu)架模型靜力學(xué)分析

3.1 施加約束與載荷

在邊界條件處理上，采用ANSYS中智能劃分網(wǎng)格的方式劃分網(wǎng)格，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元網(wǎng)格模型如圖6所示?？紤]到車體與轉(zhuǎn)向架安裝的實(shí)際情況，在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的側(cè)梁底面添加四個(gè)面施加固定約束（Fix Support），并在彈簧支撐座表面施加相應(yīng)超載工況的垂直載荷，在側(cè)梁側(cè)面施加橫向載荷并模擬垂直斜對稱載荷，如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖7 載荷和邊界條件模型

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到SKMB-200型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模型的位移圖和應(yīng)力圖，如圖8～11所示。從圖8和圖9可知，碳素鋼Q345R的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大變形和最大應(yīng)力分別出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的彈簧支撐座最外側(cè)和側(cè)梁的圓角處；從圖10和圖11可以看出，鋁合金與碳素鋼Q345R的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大變形和最大應(yīng)力的位置相同。由表3可知，兩種材料在相同的超載工況下，滿足JISE4207標(biāo)準(zhǔn)，且鋁合金的最大變形量大于碳素鋼Q345R，最大應(yīng)力小于碳素鋼Q345R。

表3 碳素鋼Q345R與鋁合金2024的結(jié)果比較

圖8 碳素鋼Q345R構(gòu)架位移圖

圖9 碳素鋼Q345R構(gòu)架應(yīng)力圖

圖10 鋁合金2024構(gòu)架位移圖

圖11 鋁合金2024構(gòu)架應(yīng)力圖

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過ANSYS軟件有限元分析計(jì)算，最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)梁的圓角處，通過觀察發(fā)現(xiàn)，圓角處不夠平滑，然后進(jìn)行優(yōu)化將圓角變平滑來減小最大應(yīng)力和最大變形量，得到SKMB-200型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模型的位移圖和應(yīng)力圖，此處僅以鋁合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖12和圖13所示。由表4可以看出，構(gòu)架優(yōu)化后滿足JIS E 4207標(biāo)準(zhǔn)，且優(yōu)化后的鋁合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大變形量減少了2.482%，優(yōu)化后的鋁合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大應(yīng)力減少了13.496%。

表4 鋁合金2024構(gòu)架優(yōu)化后結(jié)果比較

圖12 優(yōu)化后鋁合金2024構(gòu)架位移圖

圖13 優(yōu)化后鋁合金2024構(gòu)架應(yīng)力圖

4 結(jié)論

對于CRH2型動(dòng)車組列車上的SKMB-200型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架而言，其在運(yùn)行的過程中受力情況復(fù)雜，對尺寸參數(shù)的選擇也比較嚴(yán)格。本文利用城市軌道交通車輛關(guān)鍵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與計(jì)算做出基礎(chǔ)理論分析，并通過三維建模和有限元分析分別對不同材料在超載工況下進(jìn)行了強(qiáng)度校核，得出以下結(jié)論:

（1）經(jīng)過計(jì)算得出在同種超載工況下，碳素鋼Q345R的最大應(yīng)力大于鋁合金2024，但都小于許用應(yīng)力；鋁合金的最大變形量大于碳素鋼Q345R，但都不超過轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的安全變形量；兩種材料作為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮了重量、耐腐蝕性和最大應(yīng)力等綜合性能，鋁合金2024可以作為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料更好的選擇。

（2）通過三維建模和有限元分析，能夠更直觀地對不同材料在超載工況下進(jìn)行對比分析，然后用于優(yōu)化設(shè)計(jì)中。在確保構(gòu)架強(qiáng)度合格的條件下，得出平滑的面可以有效減小零件的最大應(yīng)力，提高轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的使用壽命。