動(dòng)車工藝轉(zhuǎn)向架輪構(gòu)架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

戴 俊

（唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山063000）

0 引言

動(dòng)車工藝轉(zhuǎn)向架是在CRH各型動(dòng)車組車體解編大修時(shí)替換動(dòng)車組高速轉(zhuǎn)向架，在工藝狀態(tài)下支撐車體在各檢修區(qū)域走行，從而完成高速轉(zhuǎn)向架及車體各項(xiàng)檢修任務(wù)的專用設(shè)備。也就是說，工藝轉(zhuǎn)向架用于檢修庫內(nèi)替代動(dòng)車轉(zhuǎn)向架，為動(dòng)車車體提供一個(gè)具有移動(dòng)功能的臨時(shí)支撐平臺(tái)［1－3］。

輪構(gòu)架是工藝轉(zhuǎn)向架的主要承載部件，也是安裝各種零部件的骨架，需要承受和傳遞交變的垂向力、橫向力和縱向力，故它的安全性對(duì)動(dòng)車車輛檢修的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。因此工藝轉(zhuǎn)向架在滿足強(qiáng)度要求的前提下，還必須盡量減輕其自身的重量。為解決強(qiáng)度要求和重量要求這一對(duì)矛盾，本文利用Pro／E，ANSYS等現(xiàn)代工程軟件平臺(tái)，以動(dòng)車工藝轉(zhuǎn)向架的輪構(gòu)架為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行建模、分析、優(yōu)化，為工藝轉(zhuǎn)向架的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 輪構(gòu)架模型的建立

輪構(gòu)架的上方安裝有蓄電池箱和橫梁來支撐機(jī)車車體，下方主要安裝電機(jī)、減速機(jī)及軸、箱座等零部件。輪構(gòu)架主要由鋼板焊接而成，其前后、左右均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在Pro／E軟件中采用拉伸、鏡像等命令，對(duì)輪構(gòu)架進(jìn)行三維建模，得到輪構(gòu)架的有限元模型，如圖1所示。

圖1 輪構(gòu)架有限元模型

為了更順利地進(jìn)行研究，需要對(duì)輪構(gòu)架的有限元模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，忽略微小結(jié)構(gòu)對(duì)分析的影響，如很小的倒角、圓角等。

網(wǎng)格劃分：基于輪構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其離散成實(shí)體類單元。有限元網(wǎng)格采用ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分技術(shù)中的SOLID187單元（10節(jié)點(diǎn)四面體單元），將輪構(gòu)架離散成553 064個(gè)節(jié)點(diǎn)，275 280個(gè)單元［4－5］。輪構(gòu)架網(wǎng)格劃分及載荷分布如圖2所示。

圖2 輪構(gòu)架網(wǎng)格劃分及載荷分布

材料屬性：輪構(gòu)架的材料為Q235鋼，屈服極限為235 MPa，本次計(jì)算各工況均為運(yùn)營(yíng)工況，因此許用應(yīng)力為材料的屈服極限除以1．65倍的安全系數(shù)，最大許用應(yīng)力為142 MPa。

施加約束：考慮到輪構(gòu)架支撐在軸箱橡膠支座上的特點(diǎn)，因此在每個(gè)支撐面上建立彈性邊界單元，彈性邊界單元的垂向、橫向和縱向剛度為一系懸掛對(duì)應(yīng)的3個(gè)方向的剛度，彈性邊界單元共計(jì)12個(gè)。各工況下，輪構(gòu)架在其他位置不再有約束。

載荷條件：參照《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（TB／T2368－2005），輪構(gòu)架在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)須計(jì)算垂向載荷、橫向載荷，為更全面地分析輪構(gòu)架受力工況，計(jì)算時(shí)還考慮了斜對(duì)稱載荷［6］。

①每個(gè)輪構(gòu)架承受的垂向載荷為：

F＝38．884×9．81／2＝190．73 k N。

垂向載荷以面力的形式作用在輪構(gòu)架心盤的安裝面上。

②橫向載荷計(jì)算公式為：

Fy＝0．5（Fz＋0．5 m＋g）。

其中m＋為輪構(gòu)架自重，此處取為5 t；Fz為運(yùn)營(yíng)垂向載荷，此處取值為Fz＝95．36 k N。由此算得每個(gè)輪構(gòu)架的運(yùn)營(yíng)橫向載荷為59．94 k N，橫向載荷作用在心盤承載面上。

③斜對(duì)稱載荷是一組作用在輪構(gòu)架上反對(duì)稱于輪構(gòu)架兩對(duì)稱軸的相互平衡的垂向力系，本次計(jì)算中取Fxie＝14．72 k N。

④最大許用應(yīng)變：兩個(gè)接觸面面積為2 450 470（mm2），則最大許用應(yīng)力變形為5．625 mm。

2 輪構(gòu)架有限元分析

按所加載荷進(jìn)行靜力分析結(jié)果如圖3，圖4所示。

由圖3可知，運(yùn)營(yíng)載荷工況輪構(gòu)架最大當(dāng)量應(yīng)力為30．048 MPa，出現(xiàn)在輪構(gòu)架橫梁與側(cè)梁相接處，遠(yuǎn)小于在運(yùn)營(yíng)工況下Q235鋼許用應(yīng)力142 MPa的標(biāo)準(zhǔn)，輪構(gòu)架的強(qiáng)度滿足要求。

如圖4所示，輪構(gòu)架在靜載荷作用下的結(jié)構(gòu)整體變形，最大位移為0．363 mm，出現(xiàn)在輪構(gòu)架的心盤承載面上；最小的變形為0．040 3 mm，出現(xiàn)在輪構(gòu)架的軸箱位置。從實(shí)際結(jié)構(gòu)及變形效果圖來看，輪構(gòu)架承載面主要為垂向變形，相對(duì)位移量在可接受范圍內(nèi)，因此輪構(gòu)架的剛度滿足要求。

圖3 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力云圖

圖4 節(jié)點(diǎn)位移云圖

3 輪構(gòu)架的優(yōu)化

輪構(gòu)架作為關(guān)鍵零件，經(jīng)靜力分析后發(fā)現(xiàn)其所受最大當(dāng)量應(yīng)力為30．048 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力142 MPa的標(biāo)準(zhǔn)，而最大位移量只有0．363 mm，安全余度較大，因此需對(duì)輪構(gòu)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

輪構(gòu)架優(yōu)化目標(biāo)是在輪構(gòu)架允許的變形范圍內(nèi)，找到受力最大的側(cè)梁的最小寬度和厚度，從整體上減小側(cè)梁重量，達(dá)到節(jié)省材料和減輕重量的目的。表1給出了定義優(yōu)化變量，W 為側(cè)梁寬度，H為側(cè)梁厚度，M為輪構(gòu)架的質(zhì)量。

表1 定義優(yōu)化變量

圖5為輪構(gòu)架側(cè)梁寬度迭代曲線，圖中橫坐標(biāo)為寬度（mm），縱坐標(biāo)為應(yīng)力值（MPa）。圖6為輪構(gòu)架側(cè)梁厚度迭代關(guān)系曲線，橫坐標(biāo)為厚度（mm），縱坐標(biāo)為應(yīng)變值（mm）。圖7，圖8為優(yōu)化后輪構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖和位移云圖。表2展示了優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比。由圖7可知，優(yōu)化后輪構(gòu)架所受最大應(yīng)力為86．101 MPa，小于許用應(yīng)力142 MPa。從圖8中可知，輪構(gòu)架最大節(jié)點(diǎn)位移為4．247 mm，最小節(jié)點(diǎn)位移為1．935 mm，輪構(gòu)架心盤承載面相對(duì)于軸箱位置的位移為2．312 mm，均小于許用應(yīng)變值5．625 mm，比較理想。

表2 輪構(gòu)架優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

圖5 輪構(gòu)架側(cè)梁寬度迭代關(guān)系曲線

圖6 輪構(gòu)架側(cè)梁厚度迭代關(guān)系曲線

圖7 輪構(gòu)架優(yōu)化后等效應(yīng)力云圖

圖8 輪構(gòu)架優(yōu)化后位移云圖

4 結(jié)論

基于Pro／E軟件對(duì)動(dòng)車工藝轉(zhuǎn)向架輪構(gòu)架進(jìn)行了三維造型，并利用ANSYS軟件對(duì)輪構(gòu)架進(jìn)行了靜力分析和優(yōu)化。優(yōu)化后輪構(gòu)架側(cè)梁寬度比優(yōu)化前減少了115．8 mm，厚度減小了44．5 mm，優(yōu)化后重量減少了41%，最大位移從0．363 mm增大到4．247 mm，優(yōu)化后的最大應(yīng)力86．101 MPa遠(yuǎn)小于材料在運(yùn)營(yíng)工況下的許用應(yīng)力142 MPa。因此，通過優(yōu)化大大減輕了輪構(gòu)架的重量，達(dá)到了優(yōu)化的目的，位移和應(yīng)力都符合設(shè)計(jì)要求，從而節(jié)約了材料，降低了成本。

［1］ 李鵬程，熊禾根．基于AWE的工藝轉(zhuǎn)向架構(gòu)架優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（12）：110－113．

［2］ 楊磊，趙志蘇．磁懸浮列車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析［J］．機(jī)械，2004，31（2）：13－16．

［3］ 劉建林．新型單軌車轉(zhuǎn)向架的研究［J］．電力機(jī)車技術(shù)，2001，24（3）：41－44．

［4］ 宋向輝，王紅，商躍進(jìn)．動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（1）：1－3．

［5］ 劉林華，辛勇，汪偉．基于折衷規(guī)劃的車架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30（3）：15－17．

［6］ 魏云平，肖春英，孫希躍．重介質(zhì)管路中平板閘閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］．唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，19（3）：106－108．