某内置轴箱转向架构架结构强度仿真分析

薛冉

摘要：本文基于EN13749:2021标准，对公司新研制的内置轴箱转向架构架进行有限元分析。首先，利用HyperMesh软件对构架三维模型进行离散化处理。其次，在超常载荷工况和正常运营载荷工况下，利用ANSYS软件对构架进行有限元分析。仿真分析表明：新型内置轴箱转向架构架能够满足相关标准要求。

关键词：转向架构架离散化网格处理有限元仿真分析

1. 引言

2021年“十四五”规划正式颁布以来，中年唐山公司积极响应，坚持技术创新，加快打造核心技术硬实力，全面提升经营品质，针对不同区域国家、不同使用标准、不同线路条件开发出多种轨道交通产品以满足客户多元化需求。而转向架构架作为轨道交通车辆的关键部件之一，其性能好坏直接影响列车的运营安全和曲线通过性能[1]。本文依据EN13749：2021标准[2]，对公司最新研制的内置轴箱转向架构架进行有限元仿真分析，验证其结构静强度及疲劳强度是否满足标准要求，验证其在实际线路运营中的安全性及可靠性。

2. 构架有限元分析
   1. 构架结构

构架采用箱型焊接结构，由高强度钢板压型焊接而成。构架是由上下盖板和立板焊接的箱型结构组焊而成，其中抗蛇行减振器座对接侧梁上、下盖板进行焊接。构架结构如图1所示，材料的基本力学性能见表1。

图1 构架结构示意图

表1 材料的基本力学性能（MPa）

材质类型	使用标准		抗拉强度 （MPa）	屈服强度 （MPa）	部位
S355J2W（H）	TJ/CL 413	≤16mm	490~630	355	侧梁、横梁、抗蛇行减振器座等结构焊接板材
		＞16~40mm	490~630	345
Q355NE	GB/T1591	≤16mm	470~630	355	空气弹簧导柱、制动吊座连接座，制动吊座，电机吊座，齿轮箱吊座等锻件。
		＞16~40mm	470~630	345

2.2标准及评价方法

根据标准EN13749:2021确定构架在各要求工况下的载荷，其中：工况主要分为超常载荷工况和正常运营载荷工况。超常载荷工况考察构架在对应载荷的作用下，母材及焊缝上各点应力不得超过对应材料的许用应力值；正常运营载荷工况考察构架在对应载荷的作用下，材料利用率K[3]值小于1，K值由下式计算确定：

式中，Stressallowable根据材料的Goodman-Smith曲线确定，示例如下图2。

图2 材料Goodman-Smith曲线示意图

2.3建立构架有限元仿真模型

构架的有限元模型通过利用HyperMesh软件对构架三维几何进行离散化网格划分得到，单元类型采用带有中间节点的实体单元solid187。车轴、轴箱定位拉杆用Beam188单元替代，一系钢簧、轴箱定位拉杆节点用对应刚度的Combin14弹性单元替代，构架有限元模型如下图3所示。

图3 构架有限元模型

2.4超常载荷工况有限元分析结果

通过ANSYS软件对构架有限元模型进行超常载荷工况下的仿真计算，得到各个工况下的计算结果。构架各个超常载荷工况下的最大计算应力为274MPa，如下图4、图5所示，数值小于母材S355的静强度许用应力355MPa，构架结构满足标准中静强度要求。

图4 构架应力分布图

图5 局部放大应力分布图

2.5正常运营载荷工况有限元分析结果

对构架有限元模型进行正常运营载荷工况下的仿真计算，得到构架母材及焊缝的疲劳分析结果，其中母材材料利用率K最大为0.98，焊缝材料利用率K最大为0.86（如下图6、图8），均小于1，且母材与焊缝疲劳打点均落在Goodman-Smith曲线内（如下图7、图9），构架疲劳强度满足标准要求。

图6 构架母材材料利用率图

图7 构架母材Goodman-Smith曲线图

图8 构架焊缝材料利用率图

图9 构架焊缝Goodman-Smith曲线图

3. 结论

本文依据EN13749:2021标准，利用HyperMesh软件对公司新研制的轻轨转向架构架三维模型进行离散化处理，并在超常载荷工况和正常运营载荷工况下，借助ANSYS软件对构架进行有限元分析计算，结果显示：该新研制内置轴箱转向架构架强度能够满足车辆正常运营要求。

参考文献：