熄焦車轉向架搖枕有限元分析及結構優化

時慧焯　楊金玲

摘要：以某新型熄焦車轉向架搖枕為研究對象，首先，建立搖枕的有限元模型，利用ANSYS有限元分析軟件，對其進行靜強度分析，獲得搖枕的應力分布及變形情況，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006標準，校核其剛度和強度是否滿足設計要求。然后，對其進行結構優化設計，在滿足設計要求的基礎上使結構輕量化，從而為搖枕進一步的結構改進及優化設計提供有價值的參考依據。

關鍵詞：轉向架；搖枕；有限元分析；結構優化

引言

本文以某新型熄焦車轉向架搖枕為研究對象，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006標準，校核其剛度和強度是否滿足設計要求。然后，對其進行結構拓撲優化設計，在滿足設計要求的基礎上達到結構輕量化的目的，從而為搖枕進一步的結構改進及優化設計提供有價值的參考依據。

1.搖枕的基本結構

本文所研究的熄焦車轉向架搖枕應用在軸重為46t，自重為8t的轉向架上，通過上、下心盤的配合支承著車體，車體的垂向載荷通過上下心盤、搖枕、搖枕彈簧傳遞到轉向架側架；車體的橫向載荷通過上下心盤傳遞到搖枕，再通過搖枕擋傳遞到轉向架側架；車體的縱向載荷通過上下心盤傳遞到搖枕，再通過磨耗板和搖枕彈簧傳遞到轉向架側架上。

2.搖枕靜強度分析計算

2.1 有限元模型

搖枕有限元模型如圖1所示。

2.2 計算載荷工況

本次有限元分析基于TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》的靜強度要求和TB/T1959-2006《鐵道貨車搖枕、側架靜載荷及疲勞試驗》的剛度要求，并結合熄焦車實際運行狀況，在靜強度分析中，主要考慮垂向沖擊載荷和搖枕自重。垂向沖擊載荷以均布力的形式施加在搖枕心盤處，約束施加在搖枕彈簧支撐底部。

2.3 靜強度分析結果

利用ANSYS有限元分析軟件對搖枕進行靜強度分析。結果顯示，搖枕上蓋板中央截面相對于兩側的最大垂向位移為4.1mm，小于允許最大垂向位移5.2mm，滿足垂向彎曲剛度設計要求，垂向位移如圖2所示；搖枕在計算載荷工況下的最大Von Mises等效應力為183MPa，發生在搖枕下心盤中心位置附近，小于許用應力230MPa，Von Mises等效應力分布如圖3所示。

從有限元分析計算結果可知，搖枕在剛度和靜強度，不僅滿足設計要求，而且有一定的富裕量，具有一定的優化空間。

3.搖枕結構拓撲優化

3.1 連續體結構拓撲優化原理

結構拓撲優化目前的主要研究對象是連續體結構。拓撲優化的基本思想為將設計區域劃分成有限個單元，依據一定的算法刪除部分區域，形成帶孔的連續體，實現連續體的拓撲優化。變密度法是連續體結構拓撲優化的常用方法之一，它以連續變量的密度函數形式顯式地表達單元相對密度與材料彈性模量之間的對應關系，這種方法基于各向同性材料，不需要引入微結構和附加的均勻化過程，它以每個單元的相對密度作為設計變量，人為假定相對密度和材料彈性模量之間的某種對應關系，程序實現簡單，計算效率高。

3.2 搖枕結構拓撲優化數學模型

一個優化模型通常由三部分組成：設計變量、目標函數和約束條件。本文采用變密度法，以每個單元的密度為設計變量；以搖枕的體積最小化為優化目標；以材料的許用應力和設計變量上下限為約束條件。搖枕的拓撲優化數學模型如下：

3.3 搖枕拓撲優化

首先，建立搖枕的拓撲優化有限元模型，采用solid185單元，共劃分12400個單元，14679個節點，兩端各建立8個剛性單元與8個彈簧單元模擬搖枕彈簧支撐。搖枕拓撲優化有限元模型如圖4所示。然后，根據靜強度分析要求，施加計算載荷工況，設置優化參數。

經計算，迭代72步收斂，得到了搖枕的材料密度分布情況，密度控制值選取0.135時結構清晰，拓撲優化后模型如圖5所示。通過優化結果可以看出，搖枕縱向中間腹板密度值小，通過計算去除了大部分材料，結構拓撲后得到的結果比較理想。

3.4 優化模型設計及校核

本文根據工藝要求及經驗設計方法，對搖枕原結構進行如下修改：（1）去除搖枕縱向中間腹板；（2）減小上下蓋板及兩側腹板厚度。施加與原結構相同的計算載荷工況，對改進后的模型進行靜強度分析，結果顯示，搖枕下蓋板中央截面相對于兩側的最大垂向位移為4.9mm，小于允許最大垂向位移5.2mm，滿足垂向彎曲剛度設計要求.見表1。

由表1數據可知，在相同的計算載荷工況下，原結構與改進結構均滿足設計要求。但是，改進結構比原結構重量減小了21%，提高材料的利用率，降低耗材量，節約生產成本。

4.結論

4.1本文基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006標準對熄焦車轉向架搖枕進行了靜強度評定，通過ANSYS有限元計算分析，最大垂向位移為4.1mm，最大Von Mises等效應力為183MPa，均滿足設計要求，且具有一定的富裕量。

4.2利用拓撲優化設計辦法，對搖枕原結構進行優化設計，優化后的結構經過校核，最大垂向位移為4.9mm，最大Von Mises等效應力為205MPa，不僅滿足設計要求，同時比原結構重量減少了21%，降低耗材量，節約生產成本，達到結構輕量化的目標。從而為搖枕進一步的結構改進及優化設計提供有價值的參考依據。

參考文獻：

[1]黃孝亮，孫麗萍，王玉艷，等.鐵路貨車轉向架搖枕結構拓撲優化設計[J].大連交通大學學報，2013，34（2）：1-5.

[2]同金葉，李文斌.基于ANSYS 的轉K2轉向架搖枕結構分析[J].機械工程與自動化，2010，3：45-47.

[3]劉運斌，卜繼玲，王小中，等.基于CAE的轉K6轉向架搖枕結構優化[J].鐵道機車車輛，2010，30（5）：40-43.