Ansys軟件在轉向架側梁動應力試驗中的應用

孫曉云

摘要：進入21世紀，我國的城市軌道交通方興未艾。為保證擁有一個有效、快速，便捷的交通，軌道交通作為主要的趨向已開始平凡的出現在我們的生活中。轉向架作為一個重要部件被用來承載車輛，提供牽引力（動力轉向架）、減震以及車輛的導向。由于車輛在運行過程中會遇到不同的路況，因此轉向架的性能對于車輛在運行過程中的平穩性、安全性都有一定的影響。

本論文所展開的研究就是嘗試運用數值仿真技術軟件Ansys，對目前客車采用的209P型轉向架的側梁進行動應力仿真，得出理論應力最大點，為后續試驗提供一定數據。

關鍵詞：Ansys;轉向架;側梁;應力

第一章 緒論

1.1轉向架側梁動應力分析意義

轉向架作為車輛的重要組成部分，其結構強度是否滿足設計要求，是關系到貨物運輸安全的重要因素之一。而構架或側架是轉向架的基礎，把轉向架各零、部件組成一個整體，所以它不僅僅承受、傳遞各種作用力和載荷，而且它的結構、形狀、和尺寸大小都應滿足各零、部件的結構、形狀及組裝的要求（如應滿足制動裝置、彈簧減震裝置、軸向定位裝置等安裝的要求）。所以對于轉向架側梁的動應力分析尤為重要。

1.2轉向架側梁動應力分析方法

轉向架側梁的動應力^[1]的分析實際試驗過程中，對于應力檢測點位置選擇合理與否，將直接關系到轉向架側梁動應力的測試數據是否準確可信，其對評價被測轉向架側梁結構強度是否合格至關重要。本試驗就是利用數值仿真技術軟件Ansys軟件對轉向架的側梁進行模型建立，并對其加載，找出應力最大點，然后在該點進行貼片測試。

209P轉向架構架側梁是由多個鑄鋼板焊接而成，因此在模型建立時采用板殼單元，由下而上的建模順序。根據轉向架側梁結構的對稱性，為減小工作量，選擇整體結構的1/4建立幾何模型，后利用Ansys軟件的優勢對其施加對稱約束，最后顯示出整個轉向架側梁的結構，然后進行分析求解。

第二章 Ansys簡介

2.1Ansys發展過程

Ansys公司成立于1970年，總部在美國賓夕法尼亞的匹茲堡，是目前世界CAE（Computer-aided Engineering，即計算機輔助工程）行業最大的公司。Ansys公司自1996年2月開始在中國推廣其有限元分析軟件。Ansys軟件是融結構、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。是現代產品設計中的高級CAE工具之一。因此它可應用于以下工業領域：航空航天、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統等。

2.2Ansys軟件的分析步驟

1、創建有限元模型^[2-3]。2、施加荷載進行求解。3、察看分析結果。

2.3Ansys模塊化結構

軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。

前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型;分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力;后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

第三章 轉向架側梁的模型建立與結果分析

3.1 創建幾何模型

第一步：指定工作文件名和工作標題;第二步：定義單元類型;第三步：定義材料性能參數;第四步：模型建立。

本次建模采用自底向上的方式進行實體建模，從最低級的圖元向上構造模型，即：首先定義關鍵點，然后依次由點連成線，由線連成面，由面形成體

3.2劃分網格

由于側梁各板厚度不同，所以在劃分網格之前需要建立兩個板厚。在Preprocessor à Add/Edit/Delete中選擇Add 添加兩個新的單元類型，在對話框中輸入板的厚度。

劃分網格：Preprocessor? Meshing à Default Attribs選擇劃分網格的材料實常數，在這里先對側梁下板進行劃分網格，然后Meshing à Mesh Tool在對話框中點擊mesh 然后對要劃分網格的面進行選擇，單擊“OK”。

Preprocessor à Meshing à Default Attribs à real constant set number 中選擇1，重復上述步驟，對其余面進行網格劃分。

3.3加載求解

施加載荷之前先對該側梁施加位移約束和對稱約束，側梁的1/4結構中，受力部分主要有兩處，一處為通過一系彈簧的傳遞將車輪與鋼軌之間的作用力傳遞到側梁上，方向豎直向上，另一處為通過心盤、橫梁的傳遞，承受車體載荷的力，方向豎直向下。

利用Ansys軟件在對結構加載求解時，主要是為了觀察最大應力的位置，所以只需要滿足兩處加載的力的大小是相同的即可，而不需要加載具體車體、轉向架等各零、部件的質量。

3.4計算及結果分析

3.4.1求解

為方便看轉向架側梁的應力分布圖，利用Ansys軟件中的對稱約束，顯示整個轉向架側梁結構。

3.4.2結果顯示

根據第四強度理論，選擇顯示第四強度理論的相當應力，即Von Mises應力。

GUI：Main?Menu：General?Postproc?→ Plot?Results Contour?Plot?→ Nodal?Solve →?Stress?→ Von?Mises?Stress → OK，結果見圖1所示。

3.4.3結果分析

通過對圖1中Von Mises 應力的分布圖可以看出，轉向架中間部位相對兩邊而言彎曲變形較大。圖2中側梁的3個點處的應力比較大，進行試驗時可以選擇該三點進行貼片測試。

第四章 結論

在科技發達的今天，利用軟件對各構件進行仿真建模，可以準確的得到想要的數據。轉向架側梁的動應力的分析實際試驗過程中，對于應力檢測點位置選擇合理與否，將直接關系到轉向架側梁動應力的測試數據是否準確可信，其對評價被測轉向架側梁結構強度是否合格至關重要。本論文，通過數值仿真技術軟件Ansys軟件，對209P轉向架側梁進行建模分析，找出了側梁Von Mises應力的最大點，為后續對轉向架的各種試驗提供了有力的數據支持。

參考文獻：

[1]? 姜瑞金，謝基龍.轉K5型轉向架彈簧托板疲勞試驗方法研究[J].鐵道機車車輛，2011，06，52-54.

（作者單位：沈陽職業技術學院）