400 km/h高速列車軸箱體有限元仿真

戴曉超　張英波　王澤飛　許東日　王瑞卓　韓光旭

摘要：高速列車用軸箱體主要采用球墨鑄鐵制造，結(jié)構(gòu)較重。針對(duì)400 km/h高速列車的輕量化需求，基于鋁合金材料的成型特性重新設(shè)計(jì)了軸箱體結(jié)構(gòu)，并采用CERO 3.0建立了鋁合金軸箱體的三維模型，依據(jù)EN13749-2005標(biāo)準(zhǔn)，采用ANSYS Workbench分析了鋁合金軸箱體在超常載荷工況和運(yùn)營(yíng)工況下的應(yīng)力狀態(tài)和疲勞強(qiáng)度。通過(guò)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了鋁合金軸箱體結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：軸箱體;鋁合金;靜強(qiáng)度;疲勞強(qiáng)度;Workbench

中圖分類號(hào)：TG457.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）01-0097-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.18

0 前言

隨著列車運(yùn)行速度的提高，機(jī)車車輛對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，高速列車過(guò)重將增加制動(dòng)距離，零件耗損和能源消耗也會(huì)隨之增加，由此可見減輕高速列車質(zhì)量可以更好地控制列車的加速、減速和停車，減少事故的發(fā)生，提高列車運(yùn)行的安全可靠性。目前輕量化的方向主要是采用先進(jìn)結(jié)構(gòu)、先進(jìn)輕量化材料以及先進(jìn)連接工藝。相比而言，輕量化材料的整車減重效果最好。在先進(jìn)輕量化材料的研究和應(yīng)用上，我國(guó)高速列車車體普遍采用鋁合金作為主體材料代替不銹鋼，減重效果非常顯著[1]。然而高速列車除車體外，很多部件采用鋼鐵材料制造，輕量化空間較大。如將高速列車轉(zhuǎn)向架軸箱體由球墨鑄鐵替換為鋁合金，可實(shí)現(xiàn)軸箱體40%以上的減重效果[2]。軸箱體作為轉(zhuǎn)向架的重要承載部件，其強(qiáng)度性能至關(guān)重要，一直是高速列車研究人員關(guān)注的重要問題。

本文以400 km/h高速列車轉(zhuǎn)臂式軸箱為研究對(duì)象，采用CREO 3.0構(gòu)建轉(zhuǎn)向架鋁合金軸箱體的三維模型，利用ANSYS Workbench進(jìn)行軸箱體在超常載荷工況和模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，驗(yàn)證高速400 km/h高速列車鋁合金軸箱體的安全可靠性。

1 軸箱體幾何模型及有限元模型

1.1 軸箱體幾何模型

采用CERO 3.0 構(gòu)建的轉(zhuǎn)向架軸箱體的三維模型如圖1所示，由上箱體、下箱體和端蓋三部分組成[3]，如圖2所示。

軸箱體的上箱體、下箱體和端蓋的制造材料均為7050模鍛件，機(jī)械性能如表1所示。

1.2 軸箱體有限元模型

軸箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析在ANSYS Workbench 14.0有限元軟件平臺(tái)上進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示。

為了真實(shí)模擬軸箱體之間的配合關(guān)系，在兩個(gè)軸箱間建立了一個(gè)假軸，通過(guò)接觸單元考慮各部件之間的相互影響。軸箱體的有限元網(wǎng)格采用六面體為主的單元進(jìn)行劃分，最終軸箱體有限元模型獲得459 874個(gè)節(jié)點(diǎn)和584 208個(gè)實(shí)體單元。

1.3 載荷工況及邊界條件

400 km/h高速列車防脫線軸箱正常運(yùn)營(yíng)條件下靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析的載荷和載荷工況主要依據(jù)EN 13749-2005《鐵路應(yīng)用-輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架規(guī)定轉(zhuǎn)向架-構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的方法》[4]中對(duì)構(gòu)架載荷計(jì)算的規(guī)定來(lái)確定。軸箱體主要承受垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷、減震器垂向載荷。軸箱體有限元計(jì)算加載示意如圖4所示。通過(guò)對(duì)軸箱體承受載荷的疊加組合確定了4個(gè)超常載荷工況和12個(gè)模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況，如表2、表3所示。

2 許用應(yīng)力的確定

2.1 靜強(qiáng)度許用應(yīng)力

根據(jù)UIC615-1標(biāo)準(zhǔn)，軸箱體結(jié)構(gòu)在最大沖擊載荷作用下，其靜強(qiáng)度條件為：

（1）在拉應(yīng)力區(qū)，結(jié)構(gòu)的最大Von_Mises應(yīng)力不大于制造材料的彈性極限，滿足關(guān)系式

σVon_Mises≤σd0.2（1）

（2）在壓應(yīng)力區(qū)，結(jié)構(gòu)的最大Von_Mises應(yīng)力不大于制造材料的抗壓強(qiáng)度，滿足關(guān)系式

σVon_Mises≤σd（2）

另外，軸箱體結(jié)構(gòu)在模擬運(yùn)營(yíng)載荷下最大Von_Mises應(yīng)力不大于制造材料的許用應(yīng)力，滿足關(guān)系式[5]

σmax=（3）

2.2 疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力

（1）試棒的疲勞極限。

軸箱體制造材料7050模鍛件，對(duì)直徑10.6 mm、45°角R0.25 mm V型缺口試棒，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的1×107循環(huán)時(shí)的疲勞極限強(qiáng)度為115 MPa;對(duì)于直徑10.6 mm光滑試棒，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的1×107循環(huán)時(shí)的疲勞極限為275 MPa。

（2）結(jié)構(gòu)的 Goodman 疲勞極限圖。

實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與形狀、表面粗糙度和質(zhì)量等級(jí)與光滑試棒存在差異，其結(jié)構(gòu)的疲勞極限與試棒的疲勞極限滿足關(guān)系式[6]

σ-1S≡εβCL=σ-1KεβCL（4）

式中 Kf為疲勞缺口系數(shù);CL為載荷類型因子（CL =1.0）;ε為尺寸系數(shù)（ε=0.9）;β為表面狀態(tài)系數(shù)（β=0.8）;σ-1為光滑試棒的疲勞極限;σ-1K為缺口試棒的疲勞極限。

7050模鍛件制造結(jié)構(gòu)疲勞極限σ-1S=82.8 MPa，其 Haigh 形式的Goodman疲勞曲線如圖5所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 軸箱靜強(qiáng)度結(jié)果與分析

表4為軸箱箱體在所有靜強(qiáng)度下的計(jì)算結(jié)果。由表4可知，轉(zhuǎn)向架軸箱體在超常載荷作用下，其最大Von_mises應(yīng)力為186.88 MPa，出現(xiàn)在超常載荷工況2，最大應(yīng)力位置為軸箱轉(zhuǎn)臂右方根部區(qū)域。運(yùn)營(yíng)工況下最大Von_Mises應(yīng)力為128.54 MPa，出現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)載荷工況6，最大應(yīng)力位置為軸箱轉(zhuǎn)臂右方根部附近。

由上述分析可知，軸箱體在超常載荷工況下最大應(yīng)力并未超過(guò)軸箱在超常載荷作用下的許用應(yīng)力421 MPa;在運(yùn)營(yíng)載荷工況下最大應(yīng)力也未超過(guò)軸箱體在運(yùn)營(yíng)工況下的許用應(yīng)力281 MPa。

因此軸箱體在各個(gè)載荷工況下安全系數(shù)大于1，即標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架軸箱體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足EN13749的要求。圖6和圖7分別為軸箱體在超常工況2和運(yùn)營(yíng)工況6的應(yīng)力云圖。

3.2 軸箱疲勞強(qiáng)度結(jié)果與分析

在表3給出的載荷工況下，軸箱體節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅與許用應(yīng)力幅的比較如圖8 所示。軸箱體安全系數(shù)小于1.4的各節(jié)點(diǎn)的最大/最小應(yīng)力、平均應(yīng)力和應(yīng)力幅如表5所示。

由圖8、表5的計(jì)算結(jié)果可以看出，軸箱上箱體、下箱體和端蓋應(yīng)力幅值均小于其對(duì)應(yīng)許用應(yīng)力幅，最小安全系數(shù)1.07出現(xiàn)在上箱體靠近轉(zhuǎn)臂定位座的圓弧過(guò)渡區(qū)域。因此，軸箱體上箱體、下箱體和端蓋的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

4 結(jié)論

根據(jù)400 km/h高速列車超常載荷和運(yùn)營(yíng)工況下軸箱體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析可得到以下結(jié)論：

（1）靜強(qiáng)度載荷條件下，軸箱體超常工況最大應(yīng)力為186.88 MPa，運(yùn)營(yíng)工況最大應(yīng)力128.54 MPa，均小于材料的許用應(yīng)力。

（2）根據(jù)Goodman曲線對(duì)軸箱體的疲勞評(píng)定結(jié)果表明，各運(yùn)營(yíng)工況組合下軸箱體疲勞強(qiáng)度具有一定余量，滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

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