基于SolidWorks的CRH2輪軸過盈裝配有限元分析

謝紅太，譚春梅，武振鋒

(1.蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.哈爾濱鐵道職業技術學院 城市軌道交通學院，黑龍江 哈爾濱 150069)

基于SolidWorks的CRH2輪軸過盈裝配有限元分析

謝紅太1，譚春梅2，武振鋒2

(1.蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.哈爾濱鐵道職業技術學院 城市軌道交通學院，黑龍江 哈爾濱 150069)

利用SolidWorks軟件模擬出高速動車組CRH2T輪對過盈配合的有限元模型，對輪軸壓裝完成后的輪座輪轂孔表面接觸應力進行仿真分析，通過創建幾何線提取探測點的方式研究了過盈壓裝后輪轂孔內表面上的接觸應力的曲線變化情況及分布規律.結果表明接觸表面接觸應力從中間縱截面沿軸向相反方向呈凹二次拋物線變化，以致左右兩端點出現差值為Δ的兩應力極點.基于SolidWorks Simulation的有限元分析對目前難以計算實驗仿真的輪軸過盈分析提出了一種新的較為可靠的仿真計算方法.

SolidWorks；CRH2輪對；過盈配合；有限元分析

0 引言

輪對承受著列車的全部載荷，并在重負載條件下沿軌道高速運轉，是由兩個同類型和同材質的車輪與一根車軸按規定壓力和規定尺寸緊壓配合組裝成的一個整體，車輪與車軸通過過盈關系聯接[1-3]，本文研究的輪座輪轂孔表面接觸應力，是通過專用輪對壓裝機將高速動車組列車CRH2拖車車輪車軸壓裝完成后的T輪對為基礎的.

目前，國內基于有限元軟件對車輛輪對壓裝過程及壓力曲線做了大量研究分析，但在輪對壓裝后的輪座輪轂孔表面接觸應力方面的研究相對較少.由于過盈配合的兩個接觸面上無法粘貼應變片，目前使用較廣的冷裝法難以對其壓力狀態進行跟蹤測定，壓裝后的輪對質量只能根據鐵標中規定的壓裝曲線進行判定，而壓裝曲線是長期實踐經驗的積累.本文利用SolidWorks公司開發的有限元分析軟件Simulation模擬出CRH2T輪對的有限元模型[4-5]，分析了壓裝后輪座輪轂孔接觸應力大小及分布規律.

1 SolidWorks Simulation結構有限元分析過程簡介

有限元法是一種有限的單元離散某連續體然后進行求解的一種數值計算的近似方法. Simulation分析工具目前銷量較高，作為計算機嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成，能夠提供大量的計算與分析工具來對較為復雜的零件及裝配體進行模擬計算，測試和仿真分析.其主要功能模塊有結構計算與應力分析、應變計算分析、產品的優化設計、流體模擬仿真、線性與非線性分析等.本文利用Simulation模塊中的冷縮配合機制對輪對的過盈配合內部接觸部進行應力應變分析.

2 車輪車軸接觸應力有限元分析

2.1建立輪對模型

有限元分析過程中，網格劃分的越密，幾何模型越復雜，細小件越繁多，則計算機處理越慢，甚至無法計算.相反，減小網格數量則難以保證模擬計算的可靠性和準確性. 在此為了提高工作及計算機計算效率，又在保證不影響有限元分析計算結果的條件下，對上述輪對的三維模型做簡化處理，本文所研究的是輪轂孔及輪座壓裝后的接觸應力大小及分布規律，故只引入一個車輪即可，又因為車軸關于中截面左右對稱且存在多處圓角，故可將其簡化為單輪半車軸模型.

2.2創建有限元模型

(1)創建算例：通過對簡化后的輪對三維模型進行完整的參數定義，實現該算例的建立，包括添加模擬約束、設定產品材料屬性、 模擬增設外載荷、有限網格劃分及分析類型確定.

(2)定義材料屬性：在新算例運行之前，需要設定所需的產品模型材質，在此根據JIS E4501和JIS E4502標準在SolidWorks Simulation分別設定車輪車軸的材料為碳素鋼，其屬性參數見表1.

表1 碳素鋼屬性表

(3)設定約束：對簡化后的模型車軸中間部分由于左右力及力矩的平衡抵消，在忽略其他因素的干擾下，在此可看做車軸中截面的固定，增設固定幾何體約束.由于本文所研究的是輪轂孔與輪座接觸面上的應力分布，故對輪對進行約束定義時，可選擇幾乎不影響接觸應力及微小變形的輪緣內側面為固定幾何體，如圖1所示.

圖1 輪對約束及網格劃分

(4)劃分網格：在SolidWorks Simulation中采用自動化程度最高的網格劃分技術之一的自由網格劃分技術，對簡化后的輪對模型進行網格劃分，如圖1所示.

(5)施加外載荷：對輪對的壓裝模擬可利用Simulation外部載荷模塊中的靜應力分析進行仿真，設定輪轂空內圓柱面與輪座外圓柱面的相接觸面組為冷縮配合方式.

(6)運行算例.

2.3計算結果及分析

2.3.1 計算結果等效應力云圖

在上述準備工作的基礎上，進行輪對簡化模型的有限元新算例運行，得到其應力應變分布圖，如圖2所示，從中不難看出壓裝后的車輪車軸在兩接觸面上的應力應變最大，即σmax=1 994MPa，Smax=0.006 87 mm.

(a) 應力圖解

(b) 應變圖解

2.3.2 接觸面節點應力的選取

SolidWorks Simulation除了可以以圖解的形式表達有限元的結果外，還可以將結果以數值的形式表示.為了直觀的看清車輪輪轂孔與車軸輪座接觸表面的應力分布規律，在此首先在SolidWorks三維模型中，于車輪的輪轂孔內表面上分割出一條幾何直線，此直線平行于車輪軸線.然后導入到有限元分析模塊Simulation中，對此直線所在的節利用探測工具進行等比例舉例探測，從左到右依次選取位于同一直線上不同節點上的9個等比例點，即樣點1到樣點9，如圖3所示.

圖3 分割線及樣點的創建

分別將探測選取的9個樣點所在節對應的接觸應力及樣點在模型中對應的空間坐標等參數提取出來，見表2.

表2 提取樣點的參數表

2.3.3 軸向接觸應力分布規律的分析及討論

針對上述探測的位于所建分割幾何線的順次等比例提取的9個采樣點，利用SolidWorks Simulation中的報告選項圖解，可對樣點所處節的輪軸接觸節應力進行如圖4所示的應力-相對位移曲線的繪制.

由圖4可知，隨著對所建分割幾何線上順次等比例選取的9個采樣點應力分布來看，整個幾何線上的接觸應力呈凹二次拋物線規律變化，即CRH2T輪對車輪輪轂孔內圓柱面與車軸輪座的外圓柱面的接觸應力在中間縱截面上最小，依次沿軸向兩方向逐漸增大，當到達所建幾何線的兩端點時，接觸應力值達到最大.從中可看出樣點1與樣點9所達到的最大值二者存在一定的差值Δ，這是因為根據相關鐵道裝配標準所規定的，CRH2車輪采用左右兩側對稱的直輻板車輪，當CRH2車輪的輪轂孔過盈安裝于車軸的輪座上時在輪座的左右兩側所留有的余量ε不同而造成的.采樣點1的接觸應力σ1=1 983 MPa，采樣點9的接觸應力，σ9=1 970 MPa即σ1gt;σ9，采樣點1所在側的余量ε0大于采樣點9所在側的余量ε1.

圖4 分割線上節應力分布

在所有鐵道車輛輪對的工業生產裝配中可根據凹二次拋物線左右兩極點的接觸應力模擬，指導選擇可承擔一定接觸應力極限的左右輪座余量，也可從車輪方面考慮車輪輻板的形狀及與輪轂的相對位置方面協調設計.

從上述所創建的平行于輪對軸線且處于輪轂孔內表面上的分割線上的接觸應力分布情況可知，在垂直于該線且過其上任一點的平面與車輪輪轂孔內表面所處圓柱面的交線圓上的接觸應力過圓心大小相等的力.

3 結論

(1)對輪對壓裝完成后的輪軸內部難以計算的接觸應力，運用了SolidWorks Simulation中的冷縮配合的有限元分析機制進行了輪軸過盈應力數值模擬計算;

(2)合理并有效的簡化了輪對有限元分析模型，此方法為快速準確的完成鐵道車輛的輪對壓裝內應力分析提供了強有力的工具.此外，在有限元分析過程中，為了更準確直觀的反應接觸應力的分布規律，應特別注意分割幾何線的創建及樣點的提取;

(3)通過對CRH2T輪對車輪輪轂孔內表面與車軸輪座外圓柱面壓裝完成后的接觸應力有限元分析可知，接觸表面接觸應力從中間縱截面沿軸向相反方向呈凹二次拋物線變化，以及對左右兩應力極點的分析，可在當前我國高速鐵路技術大發展的背景下，提供一個可靠的輪對壓裝接觸應力分析方法與工業裝配制造參考技術.

致謝：感謝蘭州交通大學戰略規劃與改革發展研究項目(FZGH201608)對本文的資助.

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[5]商躍進,周建明, 張海軍. CAD/CAM/CAE技術在吊桿設計制造中的應用[J]. 蘭州交通大學學報, 2006,25(3)：1- 4.

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FiniteElementAnalysisofInterferenceFitAssemblyofCRH2AxleandWheelbasedonSolidWorks

XIE Hongtai1, TAN Chunmei2, WU Zhenfeng1

(1.School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2.School of Urban Rail Transit, Harbin Railway Technical College, Harbin 150069, China)

SolidWorks software is used to simulate the CRH2 T high speed EMU wheel set finite element analysis model, and the contact stress of the surface of the wheel hub bore and wheel seat after the installation of wheel axle is analyzed by simulation. By creating geometry line extraction and detection point, the variation and distribution of the contact stress are studied on the inner surface of the hub bore after the interference fit. The results show that the contact stress between the longitudinal section along the axial direction is opposite change with two parabolic surface contact, so that a value of Δ appears around two endpoints with two stress maximums. Based on SolidWorks simulation of finite element analysis, a reliable simulation method is proposed for the analysis of the wheel shaft interference which is difficult to calculated.

SolidWorks; CRH2wheel set; interference fit; finite element analysis

1673- 9590(2017)06- 0070- 04

2017- 03-18

甘肅省高等學校科研項目(2016A-021)

謝紅太(1993-)，男，副教授，碩士研究生;

武振鋒(1976-)，男，副教授，博士，主要從事三維CAD技術與應用的研究

E-mail1144212853@qq.com.

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