基于Abaqus轉向架對角線檢具熱變形仿真分析

李壽全， 李林杰， 王宏宇， 彭程

（中國北車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

0 引言

貨車的走行部分稱之為貨車轉向架，車體重量支撐其上并可與車體相互轉動，是鐵路貨車重要的組成部分，其主要作用是承受和傳遞車輛在運行中的各種動載荷及輪軌間的作用力，保證貨車安全地在直線和曲線區段上運行，并實現傳遞牽引力和車輛制動的功能。為了控制轉向架質量，設計了轉向架對角線檢具，以檢測轉向架側架內外導框交線組裝尺寸，其檢測位置如圖1所示。

圖1 檢測位置示意圖

檢具外形尺寸為3 286 mm，檢測尺寸為2 076 mm，檢測時需2人操作,結構如圖2所示。由于檢具外形尺寸和測量尺寸較大，對溫度較敏感，為了研究溫度變化對其尺寸精度影響，采用達索公司非線性通用有限元分析軟件Abaqus對其進行熱變形仿真分析［1］。借助于Abaqus平臺，能夠準確得到檢具測量值隨溫度變化曲線，工程技術人員可以此曲線為參考，在避免復雜實驗的條件下，獲得不同使用溫度環境對應的檢具制造公差，從而達到優化設計方案的目的。

圖2 檢具結構圖

1 模型建立

1.1 熱應力物理方程

若物體內部存在誤差分布 ΔT（x，y，z）因溫差引起的熱膨脹量為αTΔT，αT為熱膨脹系數，物體的物理方程由于引入了熱膨脹量，將變為［2］

1.2 網格及材料屬性

表1 45鋼材料屬性

該檢具由多個零件組成，采用第三方網格劃分工具劃分網格，并以inp文件導入Abaqus軟件中［3］，測得有 C3D8型六面體單元 128 391個，C3D4型四面體單元29 310個，實體單元數共計157 701個。整個零件采用45鋼，在定義材料的熱膨脹系數時，參考溫度為273 K。其材料屬性如附表1所示。

1.3 邊界載荷及分析步

該檢具為手持式檢具，使用時雙人握緊把手，為了研究熱影響，忽略檢具所受重力，設置邊界條件［4］。建立1個通用靜力學分析步驟，時間為1 s。在系統默認初始分析步創建初始溫度場，大小為273 K，在通用靜力學分析步將溫度場定義為301 K，以此來模擬溫度在0～28℃之間變化對檢具精度的影響。為了準確地反映溫度變化對測量精度影響，取編號21 136和20 261的2個節點，并以檢具長度方向位移U3作為歷史歷程輸出。

1.4 相互作用及作業

檢具由多個零件組成，其連接主要有焊接、螺栓連接、螺釘連接等，其相互作用以接觸為主。考慮到研究目的主要是溫度對其尺寸精度影響，并不考慮局部接觸應力大小，為避免復雜的非線性接觸運算［5］，節省計算成本，提高分析效率，假設各零部件之間接觸部分具有相同自由度，以tie的連接形式為主，建立作業，并提交分析。

2 分析結果

2.1 應力應變

經過6個增量步和6次迭代，該分析得到了收斂。為了更清楚地顯示變形情況，將變形顯示比例縮放至20倍，其應力、應變結果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，該檢具的最大應力為67.7MPa，最大變形為0.5492mm，未達到45鋼材料屈服極限355 MPa。

圖3 miss應力圖

圖4 應變圖

2.2 節點位移

為了研究溫度變化對其精度影響，選取節點號21 136和20 261作為歷史歷程輸出，經過后處理，得到兩點間距離隨溫度變化曲線，如圖5所示。分析結果表明，在溫度 0～28℃之間，測量點的距離由2 706 mm變為2 706.88 mm。

圖5 測量點間距隨溫度變化曲線

3結語

以Abaqus軟件為平臺，根據轉向架對角線檢具的幾何與結構特點，采用了C3D8和C3D4兩種單元類型，簡化了模型，避免了復雜了接觸分析［6-7］，考慮到溫度場對精度影響，得到了檢測尺寸隨溫度變化曲線。分析結果表明，當溫度在0～28℃之間，檢具的最大應力為67.7 MPa，測量尺寸由2 706 mm變化為2 706.88 mm。

圖6 檢具實物圖

對于測量尺寸較大的鐵路貨車量檢具產品，其檢測精度隨溫差變化較大，設計量檢具時，可通過數值分析方法得到檢具檢測尺寸隨溫度變化曲線，并根據該曲線定制合理的制造公差要求。從制造的結果（圖6）來看，該方法能有效地保證檢具的測量精度，提高產品研發效率，對量檢具的設計研究具有重要的參考意義。

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