統(tǒng)型窄軌客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強度仿真分析及優(yōu)化

張 明，米莉艷，智鵬鵬

（1.中國中車唐山機車車輛有限公司技術(shù)研究中心，河北唐山063500；2.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028）

0 引言

作為客車車輛最重要的組成部件，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)性能是否滿足標準要求，將會直接影響車輛的運行性能以及行車安全[1-3]。構(gòu)架最主要的作用是承載，此外，構(gòu)架又是其他轉(zhuǎn)向架零部件的安裝基礎(chǔ)[4]。隨著我國鐵路車輛的提速以及復雜多變的線路條件對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架提出了更高的要求，所以針對現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強度分析和優(yōu)化顯得尤為重要。許多學者在此方面做了大量的研究：宋慶偉[5]等針對地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，使得優(yōu)化后的構(gòu)架滿足正常使用壽命要求；李國棟[6]等研究了在典型運行狀態(tài)下，車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的模態(tài)，并確定了構(gòu)架剛度設(shè)計提供了準則；智鵬鵬[7]等利用基于6σ的非概率可靠性分析方法，為小樣本空間的構(gòu)架可靠性分析提供了新的方法；日本學者八木毅[8]進行了構(gòu)架焊接接頭結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析和疲勞試驗，實現(xiàn)了對于焊接接頭結(jié)構(gòu)的強度分析的精準化并研究了新的強度評價方法。

本文在現(xiàn)有的統(tǒng)型窄軌客轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的基礎(chǔ)上，為滿足窄軌客車轉(zhuǎn)向架的市場需求而進行優(yōu)化分析。根據(jù)《UIC 515-4》以及《EN 13749》標準確定構(gòu)架的載荷來源，并計算出相應部位的準確載荷，主要分為超常運營載荷和正常運營載荷。根據(jù)分析結(jié)果，參照標準對構(gòu)架的兩種強度進行評估。結(jié)果顯示原有的構(gòu)架結(jié)構(gòu)并不能滿足靜強度以及疲勞強度的使用要求。因此在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，得到新的構(gòu)架結(jié)構(gòu)，最終分析結(jié)果顯示優(yōu)化后的構(gòu)架結(jié)構(gòu)滿足靜強度與疲勞強度的使用要求。該優(yōu)化分析方法可以為窄軌客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的后期優(yōu)化工作提供理論依據(jù)和指導。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)簡介及有限元分析

1.1 有限元模型的建立

本文所研究的統(tǒng)型窄軌客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為“目”字形結(jié)構(gòu)，主要由搖枕吊座、橫梁、縱向止擋座、端梁、閘瓦托吊座、側(cè)梁、橫向止擋座等部件組成。各零部件采用耐候結(jié)構(gòu)鋼板焊接而成，幾何模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)示意圖

綜合考慮構(gòu)架整體計算精度及計算工作量，并根據(jù)構(gòu)架的實際組成情況，劃分網(wǎng)格之后的有限元模型由164 894個單元，165 048個節(jié)點組成。其中，螺栓連接采用Rbe3單元模擬，螺栓采用Beam188單元模擬，在彈簧連接處采用Spring單元模擬。構(gòu)架的有限元模型如圖2所示，表1給出了構(gòu)架材料的主要參數(shù)[9]。

超常運營載荷主要考慮轉(zhuǎn)向架的縱向、垂向和橫向三種方向的載荷以及扭轉(zhuǎn)載荷的組合工況，本文主要添加了六種超常運營載荷工況，具體載荷數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元模型

表1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的材料屬性

表2 超常運營載荷工況列表

正常運營載荷主要考慮到轉(zhuǎn)向架在實際運行過程中可能會承受較復雜的載荷，除了上述所說的三種載荷之外，還包括齒輪箱吊座和電機吊座的慣性載荷以及制動載荷等[10-12]。基于對實際工況的考慮，本文添加了主要的八種構(gòu)架正常運營載荷工況，具體載荷數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 正常運營工況列表

將上述兩種工況按照標準分別施加于構(gòu)架有限元模型之后導入ANSYS中進行分析，且后處理得到等效應力分布云圖。

1.3 仿真分析結(jié)果

構(gòu)架在超常運營載荷工況作用下的等效應力云圖如圖3所示。從圖中可以得出構(gòu)架所受的最大等效應力值為423.9 MPa，最大應力點出現(xiàn)在側(cè)梁變截面區(qū)域，該等效應力值大于其所用材料的許用應力值355 MPa，產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，因此可知該構(gòu)架不滿足構(gòu)架靜強度設(shè)計要求。

構(gòu)架在正常運營載荷作用下進行分析之后，利用Goodman-Smith鋼材疲勞極限圖[13]，對構(gòu)架每條焊縫進行疲勞評估，只有當所有焊縫處的節(jié)點應力值被包含在疲勞極限圖內(nèi)時，構(gòu)架才能滿足疲勞強度要求，反之，則不滿足疲勞極限要求。該構(gòu)架的疲勞極限圖如圖4所示，圖中顯示構(gòu)架變截面區(qū)域焊縫落在圖外，所以不滿足疲勞設(shè)計要求。

圖3 超常工況作用下應力云圖

圖4 正常運營工況作用下疲勞極限圖

2 優(yōu)化設(shè)計方案及仿真分析

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計強度不夠，需要將現(xiàn)有構(gòu)架結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計。在原構(gòu)架的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對不滿足靜強度和疲勞強度使用要求的地方進行優(yōu)化，提出新的結(jié)構(gòu)方案，并對新的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，以檢驗新結(jié)構(gòu)是否滿足強度要求[14]。

為了保證轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超常運營載荷的作用下滿足設(shè)計要求，對構(gòu)架結(jié)構(gòu)中的側(cè)梁進行改進，采用新型的結(jié)構(gòu)替代原側(cè)梁。新的側(cè)梁結(jié)構(gòu)的上、下板的折彎角度增大，且側(cè)梁的折彎處（搖枕下方）的界面高度由原來的140 mm變更為180 mm。新的構(gòu)架結(jié)構(gòu)的載荷與加載方式與原結(jié)構(gòu)一樣，最終分析結(jié)果應力云圖如圖5所示，表4給出了各個工況作用下構(gòu)架所受的力的值。最終分析結(jié)果顯示構(gòu)架所受的最大等效應力為251.3MPa，出現(xiàn)在側(cè)梁變截面處，小于材料的屈服強度355MPa，符合強度設(shè)計要求。

圖5 新方案在超常運營載荷工況作用下應力云圖

表4 新方案構(gòu)架所受的最大等效應力值

將優(yōu)化后的構(gòu)架結(jié)構(gòu)主要焊縫處的應力值從應力云圖中提取出來，繪制于Goodman-smith疲勞極限圖中，焊縫的所有應力點均落在疲勞極限圖內(nèi)，滿足疲勞強度要求，構(gòu)架具體的疲勞極限圖如圖6-圖9所示。

圖6 新方案構(gòu)架變截面處焊縫疲勞極限圖

圖7 新方案構(gòu)架變截面處焊縫疲勞極限圖

圖8 新方案構(gòu)架電機吊座焊縫疲勞極限圖

圖9 新方案構(gòu)架托梁吊座焊縫疲勞極限圖

3 結(jié)語

通過對初始方案的仿真結(jié)果分析，提出新的設(shè)計方案，并再次進行仿真驗證，將兩次分析結(jié)果進行對比，可以得到：

①優(yōu)化前的構(gòu)架最大應力值為423.9 MPa，大于材料S355J2W（H）的屈服強度355 MPa，不滿足使用要求，優(yōu)化后構(gòu)架結(jié)構(gòu)的最大應力值為251.3 MPa，小于材料屈服強度，滿足靜強度使用要求；

②優(yōu)化之前的構(gòu)架關(guān)鍵焊縫處不滿足Goodman曲線疲勞評估，優(yōu)化后的構(gòu)架結(jié)構(gòu)的動應力幅值完全在Goodman疲勞曲線范圍內(nèi)，滿足疲勞強度要求；

③對比結(jié)果表明，本優(yōu)化方法在統(tǒng)型窄軌客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架優(yōu)化分析中完全可行，且該優(yōu)化分析結(jié)果可以為統(tǒng)型窄軌客車轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)以及后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)和指導。