機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度的有限元分析

1、機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度的有限元分析作者：郁煒 江海兵構(gòu)架是機(jī)車轉(zhuǎn)向架最關(guān)鍵的零部件之一，也是轉(zhuǎn)向架其它各零部件的安裝基礎(chǔ)，在機(jī)車的牽引運(yùn)行中起傳遞牽引力、制動(dòng)力、橫向力及垂向力的作用，因此，機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性對機(jī)車的性能和安全性有重大影響。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度的可靠性評價(jià)大多通過物理樣機(jī)的某些試驗(yàn)，再通過金屬探傷、磁電探傷等方法來檢驗(yàn)，成本高，開發(fā)周期長。所以，使用有限元的理論對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架建模，并利用有限元分析軟件對其進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度計(jì)算來確保機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性有重大意義，本文在此進(jìn)行了嘗試。 目前，國外幾家著名的公司研制的有限元分析軟件如MSC、ANSYS、I-DEARS等在國內(nèi)許多設(shè)

2、計(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。MsC公司提供的有限元軟件在有限元建模、結(jié)構(gòu)分析(靜態(tài)、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué))、熱、電磁場、流體問題等及其耦合問題、接觸、強(qiáng)非線性、碰撞等方面都有獨(dú)到的處理方法，本文詳細(xì)介紹了其中的前后處理軟件MSCPATRAN和結(jié)構(gòu)分析軟件MSCNASTRAN在機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算與分析中的應(yīng)用。 1 有限元強(qiáng)度計(jì)算模型的建立 機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架一般為箱型梁結(jié)構(gòu)，有限元計(jì)算模型可以采用薄板單元按照設(shè)計(jì)圖紙上的實(shí)際尺寸建模，并根據(jù)構(gòu)架各部分是否承受載荷確定網(wǎng)格的疏密程度，在MSCPATRAN軟件中生成有限元計(jì)算網(wǎng)格模型。文中選擇一例已通過物理樣機(jī)測試實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)度合格的機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行分析。它是由

3、兩根側(cè)梁、一根橫梁和兩根端梁組焊成的"日"字形結(jié)構(gòu)，整個(gè)構(gòu)架計(jì)算模型共有20 225個(gè)薄板單元和27 848個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1。 2有限元強(qiáng)度計(jì)算的載荷和邊界條件 在機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元計(jì)算分析過程中，施加約束和載荷的原則是在構(gòu)架主動(dòng)施力處施加載荷，被動(dòng)受力處施加約束： 機(jī)車運(yùn)行時(shí)，作用在構(gòu)架上的載荷可以歸納為靜載和動(dòng)載兩大類。靜載荷在運(yùn)行過程中具有確定不變的數(shù)值和方向，包括機(jī)車上部重量、轉(zhuǎn)向架自重以及安裝在轉(zhuǎn)向架上各種裝置的重量、電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車與電力機(jī)車的牽引電機(jī)的重量、液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的中問齒輪箱重量等；動(dòng)載荷是在運(yùn)行過程中方向和大小都隨時(shí)間變化的載荷，包括由于車體振動(dòng)產(chǎn)

4、生的附加垂向動(dòng)載荷、機(jī)車牽引運(yùn)行時(shí)作用在構(gòu)架上的縱向力、機(jī)車通過曲線時(shí)作用在構(gòu)架上的側(cè)向力、牽引電機(jī)作用于構(gòu)架的振動(dòng)載荷以及工作時(shí)的反扭矩或電阻制動(dòng)反扭矩、齒輪箱工作時(shí)的反扭矩、制動(dòng)力、由于線路及其它原因使構(gòu)架產(chǎn)生的扭曲力等。機(jī)車轉(zhuǎn)向架載荷的大小和方向根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際情況確定。本文研究對象的計(jì)算載荷值如表1所示。 3計(jì)算工況的選取 根據(jù)TBT 2368一1993內(nèi)燃、電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法，機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的計(jì)算工況由不同類別的載荷工況組合而成。總體上分為兩大類：組合載荷工況和獨(dú)立載荷工況。組合載荷工況主要對各種極限載荷情況進(jìn)行模擬，考察構(gòu)架是否有足夠的靜強(qiáng)度滿足這些極限情況；

5、獨(dú)立載荷工況則用于考核構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度。 31 組合載荷工況 1)工況一，垂直靜載荷工況。包括車體垂直靜載荷，齒輪箱垂直靜載荷。 2)工況二，起動(dòng)工況。包括車體、齒輪箱垂直靜載荷，縱向起動(dòng)牽引力，起動(dòng)牽引反扭矩。 3)工況三，緊急制動(dòng)工況。包括車體、齒輪箱垂直靜載荷，縱向緊急制動(dòng)力，安裝座緊急制動(dòng)力。 4)工況四，曲線通過工況。包括車體、齒輪箱垂直靜、動(dòng)載荷，縱向持續(xù)牽引力。持續(xù)牽引反扭矩，橫向載荷。 32獨(dú)立裁荷工況 1)工況一，車體垂直靜載荷。 2)工況二，齒輪箱垂直靜載荷。 3)工況三。橫向載荷。 4)工況四，車體垂直動(dòng)載荷。 5)工況五，齒輪箱垂直動(dòng)載荷。 6)工況六，縱向持續(xù)牽引力。

6、7)工況七，持續(xù)牽引反扭矩。 8)工況八，縱向常用制動(dòng)力。 9)工況九，安裝座常用制動(dòng)力。 計(jì)算獨(dú)立載荷工況的目的是校核構(gòu)架疲勞強(qiáng)度，具體的校核方法：以工況三的一半及工況一、二之和計(jì)算平均應(yīng)力，再分別以工況三的一半及工況四、五、六、七的均方根計(jì)算牽引工況的應(yīng)力幅、以工況三的一半及工況四、五、八、九的均方根計(jì)算制動(dòng)工況的應(yīng)力幅。 在得到上述平均應(yīng)力和應(yīng)力幅后，依據(jù)95J01-L高速試驗(yàn)列車動(dòng)力車強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)性能規(guī)范的推薦，在我國當(dāng)前無自己的疲勞極限圖的情況下，參考采用0RE B12報(bào)告中的Goodman疲勞極限圖，對構(gòu)架強(qiáng)度進(jìn)行校核。 4 計(jì)算結(jié)果分析 41組合載荷工況的計(jì)算結(jié)果分析 算例中4種

7、組合載荷工況的最大von Mises應(yīng)力及其出現(xiàn)的位置見表2。其中曲線通過工況情況最惡劣，最大von Mises應(yīng)力為1090MPa，其應(yīng)力分布見圖2。 表3列出了4種工況下變形的最大值及其出現(xiàn)的區(qū)域，其中緊急制動(dòng)工況下的變形量最大，為O526 mm。圖3給出了該工況的變形云圖。 組合載荷工況是對各種極限載荷情況進(jìn)行模擬。考察構(gòu)架是否有足夠的靜強(qiáng)度滿足要求。文中構(gòu)架的材料為16 MnR。16 MnR的屈服極限a=225 MPa。強(qiáng)度極限b=420 MPa，安全系數(shù)取165，許用應(yīng)力=136364MPa。上述強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果中最惡劣工況的最大von Mises應(yīng)力小于許用應(yīng)力；最大變形量也滿足設(shè)計(jì)要

8、求，構(gòu)架結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度要求。 42構(gòu)架疲勞強(qiáng)度的校核 表4列出了平均應(yīng)力出現(xiàn)峰值的區(qū)域、大小及兩種應(yīng)力幅在該區(qū)域的應(yīng)力取值范圍，表5、表6分別列出了牽引工況和制動(dòng)工況兩種應(yīng)力幅出現(xiàn)峰值的區(qū)域、大小及平均應(yīng)力在這些區(qū)域的應(yīng)力值。另外表4、表5、表6中還給出了根據(jù)Goodman疲勞極限圖得到的各平均應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)力幅極限值。 由表4、表5、表6可知，文中的機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在各應(yīng)力峰值出現(xiàn)處，牽引工況應(yīng)力幅和制動(dòng)工況應(yīng)力幅的應(yīng)力幅取值都低于這些區(qū)域的平均應(yīng)力值所對應(yīng)的應(yīng)力幅極限，所以由模擬結(jié)果也可得到構(gòu)架滿足疲勞強(qiáng)度要求的結(jié)果。 5 結(jié)論 本文結(jié)合實(shí)例，詳細(xì)介紹了用有限元分析軟件MSC/PATRAN和MSG/NASTRAN對機(jī)車轉(zhuǎn)向架