統(tǒng)型窄軌客車轉向架構架結構強度仿真分析及優(yōu)化

張 明，米莉艷，智鵬鵬

（1.中國中車唐山機車車輛有限公司技術研究中心，河北唐山063500；2.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028）

0 引言

作為客車車輛最重要的組成部件，轉向架構架的結構性能是否滿足標準要求，將會直接影響車輛的運行性能以及行車安全[1-3]。構架最主要的作用是承載，此外，構架又是其他轉向架零部件的安裝基礎[4]。隨著我國鐵路車輛的提速以及復雜多變的線路條件對轉向架構架提出了更高的要求，所以針對現有轉向架構架的強度分析和優(yōu)化顯得尤為重要。許多學者在此方面做了大量的研究：宋慶偉[5]等針對地鐵車輛轉向架構架進行了結構優(yōu)化分析，使得優(yōu)化后的構架滿足正常使用壽命要求；李國棟[6]等研究了在典型運行狀態(tài)下，車輛轉向架構架的模態(tài)，并確定了構架剛度設計提供了準則；智鵬鵬[7]等利用基于6σ的非概率可靠性分析方法，為小樣本空間的構架可靠性分析提供了新的方法；日本學者八木毅[8]進行了構架焊接接頭結構的數值分析和疲勞試驗，實現了對于焊接接頭結構的強度分析的精準化并研究了新的強度評價方法。

本文在現有的統(tǒng)型窄軌客轉向架構架的基礎上，為滿足窄軌客車轉向架的市場需求而進行優(yōu)化分析。根據《UIC 515-4》以及《EN 13749》標準確定構架的載荷來源，并計算出相應部位的準確載荷，主要分為超常運營載荷和正常運營載荷。根據分析結果，參照標準對構架的兩種強度進行評估。結果顯示原有的構架結構并不能滿足靜強度以及疲勞強度的使用要求。因此在原有結構基礎上進行優(yōu)化，得到新的構架結構，最終分析結果顯示優(yōu)化后的構架結構滿足靜強度與疲勞強度的使用要求。該優(yōu)化分析方法可以為窄軌客車轉向架構架的后期優(yōu)化工作提供理論依據和指導。

1 轉向架構架結構簡介及有限元分析

1.1 有限元模型的建立

本文所研究的統(tǒng)型窄軌客車轉向架構架為“目”字形結構，主要由搖枕吊座、橫梁、縱向止擋座、端梁、閘瓦托吊座、側梁、橫向止擋座等部件組成。各零部件采用耐候結構鋼板焊接而成，幾何模型如圖1所示。

圖1 轉向架構架結構示意圖

綜合考慮構架整體計算精度及計算工作量，并根據構架的實際組成情況，劃分網格之后的有限元模型由164 894個單元，165 048個節(jié)點組成。其中，螺栓連接采用Rbe3單元模擬，螺栓采用Beam188單元模擬，在彈簧連接處采用Spring單元模擬。構架的有限元模型如圖2所示，表1給出了構架材料的主要參數[9]。

超常運營載荷主要考慮轉向架的縱向、垂向和橫向三種方向的載荷以及扭轉載荷的組合工況，本文主要添加了六種超常運營載荷工況，具體載荷數據如表2所示。

圖2 轉向架構架的有限元模型

表1 轉向架構架的材料屬性

表2 超常運營載荷工況列表

正常運營載荷主要考慮到轉向架在實際運行過程中可能會承受較復雜的載荷，除了上述所說的三種載荷之外，還包括齒輪箱吊座和電機吊座的慣性載荷以及制動載荷等[10-12]。基于對實際工況的考慮，本文添加了主要的八種構架正常運營載荷工況，具體載荷數據如表3所示。

表3 正常運營工況列表

將上述兩種工況按照標準分別施加于構架有限元模型之后導入ANSYS中進行分析，且后處理得到等效應力分布云圖。

1.3 仿真分析結果

構架在超常運營載荷工況作用下的等效應力云圖如圖3所示。從圖中可以得出構架所受的最大等效應力值為423.9 MPa，最大應力點出現在側梁變截面區(qū)域，該等效應力值大于其所用材料的許用應力值355 MPa，產生應力集中現象，因此可知該構架不滿足構架靜強度設計要求。

構架在正常運營載荷作用下進行分析之后，利用Goodman-Smith鋼材疲勞極限圖[13]，對構架每條焊縫進行疲勞評估，只有當所有焊縫處的節(jié)點應力值被包含在疲勞極限圖內時，構架才能滿足疲勞強度要求，反之，則不滿足疲勞極限要求。該構架的疲勞極限圖如圖4所示，圖中顯示構架變截面區(qū)域焊縫落在圖外，所以不滿足疲勞設計要求。

圖3 超常工況作用下應力云圖

圖4 正常運營工況作用下疲勞極限圖

2 優(yōu)化設計方案及仿真分析

根據以上分析結果可知，現有的轉向架構架結構設計強度不夠，需要將現有構架結構進行重新設計。在原構架的結構基礎上，針對不滿足靜強度和疲勞強度使用要求的地方進行優(yōu)化，提出新的結構方案，并對新的結構進行有限元分析，以檢驗新結構是否滿足強度要求[14]。

為了保證轉向架構架在超常運營載荷的作用下滿足設計要求，對構架結構中的側梁進行改進，采用新型的結構替代原側梁。新的側梁結構的上、下板的折彎角度增大，且側梁的折彎處（搖枕下方）的界面高度由原來的140 mm變更為180 mm。新的構架結構的載荷與加載方式與原結構一樣，最終分析結果應力云圖如圖5所示，表4給出了各個工況作用下構架所受的力的值。最終分析結果顯示構架所受的最大等效應力為251.3MPa，出現在側梁變截面處，小于材料的屈服強度355MPa，符合強度設計要求。

圖5 新方案在超常運營載荷工況作用下應力云圖

表4 新方案構架所受的最大等效應力值

將優(yōu)化后的構架結構主要焊縫處的應力值從應力云圖中提取出來，繪制于Goodman-smith疲勞極限圖中，焊縫的所有應力點均落在疲勞極限圖內，滿足疲勞強度要求，構架具體的疲勞極限圖如圖6-圖9所示。

圖6 新方案構架變截面處焊縫疲勞極限圖

圖7 新方案構架變截面處焊縫疲勞極限圖

圖8 新方案構架電機吊座焊縫疲勞極限圖

圖9 新方案構架托梁吊座焊縫疲勞極限圖

3 結語

通過對初始方案的仿真結果分析，提出新的設計方案，并再次進行仿真驗證，將兩次分析結果進行對比，可以得到：

①優(yōu)化前的構架最大應力值為423.9 MPa，大于材料S355J2W（H）的屈服強度355 MPa，不滿足使用要求，優(yōu)化后構架結構的最大應力值為251.3 MPa，小于材料屈服強度，滿足靜強度使用要求；

②優(yōu)化之前的構架關鍵焊縫處不滿足Goodman曲線疲勞評估，優(yōu)化后的構架結構的動應力幅值完全在Goodman疲勞曲線范圍內，滿足疲勞強度要求；

③對比結果表明，本優(yōu)化方法在統(tǒng)型窄軌客車轉向架構架優(yōu)化分析中完全可行，且該優(yōu)化分析結果可以為統(tǒng)型窄軌客車轉向架生產以及后期的結構優(yōu)化提供可靠的理論依據和指導。