基于ANSYS的工藝轉(zhuǎn)向架支撐橫梁的強(qiáng)度分析

戴 俊

（唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山063000）

0 引言

動(dòng)車工藝轉(zhuǎn)向架是專門為動(dòng)車組設(shè)計(jì)的車體支撐、牽引移動(dòng)的專用設(shè)備。其作用是在車體與轉(zhuǎn)向架分離后，支撐動(dòng)車車體，使車體能夠在檢修庫內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)和換庫，順利進(jìn)行動(dòng)車的檢驗(yàn)和維修［1］。

工藝轉(zhuǎn)向架的工作平臺(tái)采用了固定兩縱一橫三梁式結(jié)構(gòu)，支撐橫梁上部安裝支撐裝置、縱梁下部安裝軸箱輪對(duì)。支撐裝置為支撐車體的主體機(jī)構(gòu)（如圖1所示），支撐裝置除了完成車體支撐功外，還兼任車體轉(zhuǎn)道、過道岔及彎道的功能。整個(gè)支撐裝置是安裝在支撐橫梁上的，為了更好地分析支撐橫梁在工作中的受力與變形情況，本文以動(dòng)車工藝轉(zhuǎn)向架支撐橫梁為研究對(duì)象，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

1 橫梁模型

1.1 建立橫梁有限元計(jì)算模型

橫梁有限元分析采用ANSYS軟件進(jìn)行，模型是在SOLIDWORKS三維設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，通過重新建模和局部簡(jiǎn)化，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)離散，然后加載荷約束進(jìn)行有限元計(jì)算。對(duì)受力復(fù)雜的部位由人工干預(yù)，使離散模型更加精細(xì)，計(jì)算結(jié)果合理可靠［2－4］。

基于橫梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其離散成實(shí)體類單元。有限元網(wǎng)格采用 ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分技術(shù)，采用SOLID186單元（20節(jié)點(diǎn)六面體單元）和SOLID187單元（10節(jié)點(diǎn)四面體單元），構(gòu)架共離散成181 869個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元共計(jì)52 228個(gè)。橫梁設(shè)計(jì)方案三維模型見圖2，離散后有限元模型見圖3。

圖1 工藝轉(zhuǎn)向架支撐裝置

1.2 橫梁有限元計(jì)算載荷

參照《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（TB／T2368－2005），橫梁在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)須計(jì)算垂向載荷、橫向載荷，為更全面地分析橫梁受力工況，計(jì)算還考慮了斜對(duì)稱載荷［5］。

橫梁的有限元計(jì)算載荷為

載荷以面力的形式作用在橫梁的四個(gè)支撐面上，且每個(gè)支撐面上的載荷大小為

考慮浮沉系數(shù)β＝0.02時(shí)，橫梁上每個(gè)支撐面上的載荷大小為

圖2 橫梁設(shè)計(jì)方案三維模型

圖3 橫梁有限元模型

1.3 橫梁有限元計(jì)算工況

計(jì)算橫梁運(yùn)營(yíng)載荷工況所采用2種組合工況，如表1所示。

表1 橫梁運(yùn)營(yíng)主要載荷工況載荷組合表 kN

圖4 工況1橫梁應(yīng)力云圖

圖5 工況1橫梁的位移圖

圖6 工況2橫梁應(yīng)力云圖

2 橫梁許用應(yīng)力的計(jì)算

材料的許用應(yīng)力用材料的屈服極限σs與安全系數(shù)S的商計(jì)算［5］。本設(shè)計(jì)橫梁主要選用普通碳鋼（Q235）焊接結(jié)構(gòu)，該材質(zhì)的屈服極限為235MPa。

TB／T1335－1996中規(guī)定，當(dāng)構(gòu)件受力復(fù)雜時(shí)，需計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力（Von Mises應(yīng)力），此應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力［5－6］。本計(jì)算所有應(yīng)力結(jié)果均采用當(dāng)量應(yīng)力表示。當(dāng)量應(yīng)力的計(jì)算公式：

式中：σe為當(dāng)量應(yīng)力／MPa；σi為主應(yīng)力（i＝1，2，3）／MPa。

TB／T1335－1996中規(guī)定，對(duì)無焊縫區(qū)，最大可能載荷或超常載荷下的許用應(yīng)力為材料的屈服極限，在運(yùn)用載荷下許用應(yīng)力為材料的屈服極限除以1.5倍的安全系數(shù)。對(duì)焊縫區(qū)，最大可能載荷或超常載荷下的許用應(yīng)力為材料的屈服極限除以1.1倍的安全系數(shù)，在運(yùn)用載荷下許用應(yīng)力為材料的屈服極限除以1.65倍的安全系數(shù)［4－5］。

本次計(jì)算，各工況下最大的當(dāng)量應(yīng)力不能超過運(yùn)營(yíng)條件下材料的許用應(yīng)力142MPa。

3 橫梁強(qiáng)度的計(jì)算

圖4－圖7所示為橫梁運(yùn)營(yíng)載荷工況最大當(dāng)量應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。第1工況下最大應(yīng)力59.414MPa，最大位移1.049mm；第2工況下最大應(yīng)力71.297MPa，最大位移1.259mm。

圖7 工況2橫梁的位移圖

通過對(duì)動(dòng)車工藝轉(zhuǎn)向架橫梁的強(qiáng)度分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）在TB／T2368－2005所規(guī)定的計(jì)算工況中，橫梁運(yùn)營(yíng)工況下最大當(dāng)量應(yīng)力為71.297MPa，未超出在運(yùn)營(yíng)工況下Q235鋼許用應(yīng)力142MPa的標(biāo)準(zhǔn)，橫梁的強(qiáng)度滿足要求。

（2）橫梁在靜載荷作用下，最大位移為1.259mm，從橫梁有限元模型的剛度計(jì)算結(jié)果來看，橫梁剛度足夠。

［1］ 宋向輝，王紅，商躍進(jìn).動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（1）：1－3.

［2］ 沈宜.可調(diào)整工藝轉(zhuǎn)向架托梁的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛工人，2011（1）：4－6.

［3］ 李濤.自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架構(gòu)架技術(shù)設(shè)計(jì)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2003（26）：25－27.

［4］ 羅華軍，陳喜紅，陶功安，等.ZMA100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和強(qiáng)度研究［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2014（1）：10－14.

［5］ TB／T1335－1996［S］.鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)鑒定規(guī)范.

［6］ 蘭清群，王偉，李銳.軌檢車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)及疲勞評(píng)估［J］.現(xiàn)代制造工程，2011（2）：61－64.