基于ABAQUS的鐵路貨車轉(zhuǎn)向架側(cè)架有限元分析

梁昊

摘 要：重載運(yùn)輸一直是鐵路貨車得以快速發(fā)展的主流方向，持續(xù)提升鐵路貨車可靠性是必不可少的，三大件式轉(zhuǎn)向架作為重載貨車的關(guān)鍵部件，其可靠性對重載運(yùn)輸?shù)陌踩灾陵P(guān)重要，運(yùn)用模塊化有限元軟件ABAQUS，基于TB/T1959-2006《鐵路貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》的要求，以國內(nèi)某25t軸重轉(zhuǎn)向架側(cè)架為對象，研究側(cè)架的有限元仿真方法，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，證實(shí)該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對側(cè)架在疲勞載荷下的有限元分析。

關(guān)鍵詞：側(cè)架;有限元;疲勞強(qiáng)度

前言

以國內(nèi)某25t軸重轉(zhuǎn)向架側(cè)架為分析對象，運(yùn)用大型模塊化有限元軟件ABAQUS，通過模型導(dǎo)入、建立材料屬性、結(jié)構(gòu)離散、分工況添加約束及載荷、求解計(jì)算等關(guān)鍵步驟，完成對側(cè)架的有限元計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與某主機(jī)廠實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究。

1 ABAQUS有限元軟件

ABAQUS軟件依靠強(qiáng)大的有限元分析能力和完善的CAE集合功能，已經(jīng)在機(jī)械、土木、航空、水利、汽車等工程領(lǐng)域得到專家學(xué)者的廣泛認(rèn)可和運(yùn)用，其主要特點(diǎn)是集成了包括靜力學(xué)、動力學(xué)以及多體動力學(xué)等結(jié)構(gòu)分析模塊，能夠讓用戶在建模時根據(jù)有限元模型和實(shí)際情況自由選擇，由于側(cè)架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，運(yùn)用工況復(fù)合性較強(qiáng)，應(yīng)用ABAQUS的Load、Constraint模塊能夠較清晰、快速實(shí)現(xiàn)側(cè)架的有限元分析。

2 模型的導(dǎo)入與離散

運(yùn)用三維CAD軟件建立的側(cè)架模型轉(zhuǎn)換成STP格式，導(dǎo)入ABAQUS中，作為幾何模型，采用實(shí)體四面體單元對側(cè)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中單元長度設(shè)置為20mm，離散后的模型共劃分出219660個實(shí)體單元。

3 邊界條件及載荷工況

依據(jù)TB/T1959-2006的規(guī)定，疲勞試驗(yàn)需對側(cè)架兩軸箱導(dǎo)框的橫向、縱向、縱向扭轉(zhuǎn)、垂向扭轉(zhuǎn)進(jìn)行約束，僅保留垂向和橫向扭轉(zhuǎn)2個自由度。

根據(jù)側(cè)架與軸向中心的相對位置，在ABAQUS中分別設(shè)置了2各參考點(diǎn)作為支點(diǎn)，將參考點(diǎn)與導(dǎo)框進(jìn)行耦合處理，分別設(shè)置三個邊界條件，分別為BC-1、BC-2、BC-3，其中BC-1中約束參考點(diǎn)與導(dǎo)框耦合體的U2和UR1，BC-2中約束了兩導(dǎo)框的外立面的U3，BC-3中約束了導(dǎo)框內(nèi)面的U1，如圖1所示。

根據(jù)TB/T1959-2006的要求，側(cè)架疲勞工況下受到垂向、橫向和扭轉(zhuǎn)三種載荷，側(cè)架彈簧承載面垂向和軸箱導(dǎo)框橫向建立 M ATRIX27 彈簧單元， 模擬側(cè)架受力過程中隨軸箱一起繞輪對的轉(zhuǎn)動。垂向載荷作用時，側(cè)架對稱面上對稱約束， 約束彈簧承載面處彈簧單元的垂向線位移， 垂向載荷作用在搖動臺承載面上。橫向載荷作用時，對稱面上對稱約束，約束導(dǎo)框處彈簧單元的橫向線位移。對疲勞載荷譜進(jìn)行分解，得到三種載荷單獨(dú)和組合加載的靜態(tài)工況，如表1。

4 有限元計(jì)算結(jié)果

25t軸重側(cè)架的靜力學(xué)仿真結(jié)果中，工況1和工況9的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果較明顯，應(yīng)力云圖如圖2、3所示。

5 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

從應(yīng)力云圖可以看出，側(cè)架的大應(yīng)力點(diǎn)主要集中在軸向拐角處、彈簧承臺拐角處，將計(jì)算結(jié)果的最大應(yīng)力與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，如表2所示。

6 結(jié)論

通過Abaqus軟件對側(cè)架在不同靜載荷加載情況下的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，得到其應(yīng)力較大的特征點(diǎn)應(yīng)力。同時，通過應(yīng)變片實(shí)際測量不同工況加載時的應(yīng)力分布。將模擬分析的應(yīng)力值和有限元分析得到的應(yīng)力值進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，雖然存在少部分差異較大的點(diǎn)，但側(cè)架和搖枕的模型計(jì)算的應(yīng)力值與實(shí)際測試得到的應(yīng)力值大多數(shù)吻合較好，模型具有一定可靠性。

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