基于ANSYS WORKBENCH的四軸轉(zhuǎn)向架強度與模態(tài)分析

趙春陽，許 娜

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

0 引言

轉(zhuǎn)向架是電力機車走行部分，由構(gòu)架、彈性懸掛裝置、基礎(chǔ)制動裝置、輪對軸箱裝置和支撐車體裝置等部件構(gòu)成用于承受火車車體及車體內(nèi)部載重的重量，傳遞牽引力和制動力，保證火車順利通過曲線，減緩軌道不平順引起的振動以保持火車運行的平穩(wěn)性，對機車動力學(xué)性能和安全性能起關(guān)鍵性作用。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的主體，是安裝其他零部件的基礎(chǔ)，在火車運行過程中會受到垂向、橫向、縱向、扭曲等載荷，受力情況復(fù)夾多樣，因此構(gòu)架必須具有足夠的強度以保證承受各種載荷而不破壞[1]。

本文以某長大貨物車四軸轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對象，通過SOLIDWORKS軟件建立模型，利用有限元分析軟件（ANSYS），對其進(jìn)行強度分析和計算，獲得不同受力情況下構(gòu)架的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并進(jìn)行模態(tài)分析，找到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的薄弱部分，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的改進(jìn)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有一定的借鑒滿義。

1 轉(zhuǎn)向架有限元模型的建立

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由兩側(cè)梁和連接側(cè)梁的橫梁組成。側(cè)梁下表面設(shè)有彈簧安裝座，共四處，每處兩個安裝座，中部上表面設(shè)有閥簧安裝座，共三個。整個構(gòu)架采用16MnR低合金高強度鋼材料，該材料彈性模量E=209GPa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7.85g/cm3，屈服強度為340MPa。

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架三維實體模型

構(gòu)件上的螺栓、螺母等零件，圓角、倒角的特征及一些小孔結(jié)構(gòu)對整體構(gòu)架的強度影響甚微，因此，在建立模型時，可以將其簡化，從而減少模型的特征數(shù)，有利于有限元軟件的分析[2]。

利用SOLIDWORKS軟件的實體建模功能，先對零部件進(jìn)行建模，然后采用先主體零部件后分支零件的方法進(jìn)行裝配，得到三維實體模型如圖1所示。

有限元分析方法通過有限元模型對構(gòu)架進(jìn)行分析，因此需將實體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。將SOLIDWORKS軟件建立的實體模型導(dǎo)入到ANSYS WORKBENCH中，將實體修改為solid187單元，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個模型被離散為279671個單元，441470個節(jié)點。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型

2 強度分析

2.1 載荷計算

根據(jù)《TB/T 1335-1996 鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》[3]，轉(zhuǎn)向架強度分析需要考慮垂向靜載荷、垂向動載荷、縱向載荷和垂直斜對稱載荷等車輛基本作用載荷，并將其組合[4]。

2.1.1 垂向靜載荷

垂向靜載荷包括自重和載重，自重包括車體自重與轉(zhuǎn)向架自重，車體自重為142.1t，轉(zhuǎn)向架自重為11.46t，載重為250t。靜載荷：)

其中，F(xiàn)jy為垂向靜載荷；mv為車體自重；m＋轉(zhuǎn)向架自重；C為載重；g為重力加速度。

2.1.2 垂向總載荷

垂向靜載荷與垂向動載荷之和稱為垂向總載荷。垂向動載荷由垂向靜載荷乘以垂向動載荷系數(shù)而定，垂向動載荷系數(shù)的計算公式為[5]：

其中，Kdy為垂向動載荷系數(shù)；fj為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，其值為52.5mm；a為系數(shù)，簧上部分（包括搖枕）取值為1.50，簧下部分（輪對除外）取值為3.50，此處取3.5；b為系數(shù)，取值為0.05；v為車輛的構(gòu)造速度，其值為80km/h；d為系數(shù)，貨車取值為1.65，客車取值為3.0，此處取1.65；c為簧上部分（包括搖枕）取值為0.427，簧下部分（輪對除外）取值為0.569，此處取0.569。

于是，垂向總載荷的計算公式為：

2.1.3 縱向力

縱向力是指列車在各種運動層態(tài)時，車輛間所產(chǎn)生的壓縮和拉伸的力?？v向拉伸力取：客車為980kN，貨車為1125kN。壓縮力?。嚎蛙嚍?180kN，貨車為1400kN。本文縱向拉伸力Ften=1125kN，縱向壓縮力N=1400kN。

2.1.4 垂直斜對稱載荷

垂直斜對稱載荷是一組作用在構(gòu)架上，反對稱于構(gòu)架兩對稱軸的相互平衡的垂向力系，用于模擬線路扭曲，施加在一系彈簧安裝座處，方向為一個對角方向向上，另一對角方向向下，計算公式為：

表1 工況組合

2.2 工況分析

根據(jù)《TB/T 1335-1996鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》，選取轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的8種典型工況對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行分析，如表1所示。

2.3 靜強度仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述載荷分析和工況組合，運用ANSYS WORKBENCH對構(gòu)架進(jìn)行分析靜力學(xué)分析，按照第四強度調(diào)論[6]，選用Von Mise等效應(yīng)力進(jìn)行強度校核，八種工況下構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。圖3(a)～圖3(h)分別對應(yīng)第一至第八工況。

圖3 八種工況等效應(yīng)力云圖

提取八種工況下的計算下結(jié)果，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所受最大應(yīng)力如表2所示。

表2 靜強度計算結(jié)果

由以上靜強度計算結(jié)果可知，八個工況下最大應(yīng)力點位于一系懸掛裝置橡膠彈簧安裝座附近，構(gòu)架材料采用16MnR低合金高強度鋼，其屈服強度[σs]=340MPa，安全系數(shù)選取參考《TB/T 1335-1996》，其值取n=1.57，因此許用應(yīng)[σ]=[σs]/n=216.56MPa，由計算結(jié)果可知最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，因此滿足靜強度要求。

3 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的一種固有振動特性，是一種研究結(jié)構(gòu)動力特性的方法。每個結(jié)構(gòu)都具有各自的模態(tài)參數(shù)，每個模態(tài)包括了模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼和模態(tài)振型。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模態(tài)分析旨在分析其自身的振動情況，以確定是否制在不利于貨車運行的振動形式，避免共振等不利行為出現(xiàn)。對構(gòu)架進(jìn)行自由模態(tài)分析，采用Block Lanczos方法，計算時不施加約束[7]。

計算結(jié)果前六階為剛體模態(tài)，模態(tài)頻率為0，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)模態(tài)從第七階開始算起，忽略前六階，前6階的模態(tài)分析結(jié)果如表3所示。

表3 構(gòu)架結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)頻率

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)振型如圖4所示。

圖4 構(gòu)架結(jié)構(gòu)前六階振型

通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，除去前六階剛體模態(tài)，第一階模態(tài)振型為側(cè)梁繞x軸扭轉(zhuǎn)，當(dāng)構(gòu)架發(fā)生該模態(tài)振動時，兩根側(cè)梁周期性地扭轉(zhuǎn)，側(cè)梁與橫梁的焊接區(qū)易發(fā)生變形，故薄弱閉節(jié)為側(cè)梁與橫梁的連接區(qū)域。第二階模態(tài)振型為構(gòu)架整體繞y軸彎曲，構(gòu)架向下彎曲時，側(cè)梁上蓋板受壓，下蓋板受拉，反之，側(cè)梁上蓋板受拉，下蓋板受壓，薄弱閉節(jié)為側(cè)梁中部閥氣彈簧安裝座處。第三階模態(tài)振型為側(cè)梁繞x軸扭轉(zhuǎn)，同時有構(gòu)架整體搖頭運動，側(cè)梁與橫梁的焊接區(qū)扭轉(zhuǎn)變形更加嚴(yán)重。第四階模態(tài)振型為繞z軸扭轉(zhuǎn)，側(cè)梁與橫梁的焊接區(qū)和橫梁中部最易變形，對應(yīng)薄弱閉節(jié)為側(cè)梁與橫梁的連接區(qū)域和橫梁中部。第五階模態(tài)振型為繞z軸彎曲，側(cè)梁左右肋板變形較大，薄弱閉節(jié)為側(cè)梁閥氣彈簧安裝座側(cè)面。第六階模態(tài)振型為側(cè)梁繞z軸彎曲和構(gòu)架的點頭運動并制，薄弱閉節(jié)為側(cè)梁中部閥氣彈簧安裝座兩側(cè)和橫梁連接梁中部上下表面。

4 結(jié)論

根據(jù)《TB/T 1335-1996 鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》，利用有限元軟件ANSYS對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了靜強度分析。在各種工況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架最大應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強度滿足要求，找到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在各種工況下的危險點，結(jié)合模態(tài)分析確定的構(gòu)架振動薄弱閉節(jié)，為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的危險點的提供依據(jù)，同時為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架危險部位的優(yōu)化提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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