转向架构架静强分析的通用方法研究

1、转向架构架静强度分析的通用方法研究摘要：根据有限元分析理论及相关强度计算标准，提出一种构架静强度分析的通用方法。以莫地铁转向架构架为例，建立构架计算模型，确定构架的载荷工况，将模型导入有限元分析软件abaqus中进行静强度分析。与其他方法相比，在满足计算要求的前提下具有计算简单、易于操作等优点。关键词：有限元分析；转向架构架；载荷工况；静强度分析构架是转向架关键的零部件之一，是承载和传力元件，也是转向架其它各零部件的安装基础。随着我国铁路的跨越式发展，国内以及国外对于各型地铁，一般货车（主要用于出口）的需求越来越大。而各厂家、研究机构对于转向架构架的静强度分析方法不尽相同，研究一种通用的转向架

2、构架静强度分析方法便显得很有必要。本文以某地铁转向架构架静强度分析为例，研究归纳了一般转向架构架静强度分析的通用方法，为各厂家、相关人员对一般转向架构架静强度分析提供参考。1建立构架有限元模型通过构架的相关尺寸参数，利用Pro/e、Solidworks等三维软件对构架进行建模，建模过程中对于静强度影响不大的一些圆角，倒角，过渡曲线等进行适度简化，从而提高建模效率。建模完成后，接下来要对构架进行网格划分，从而为下一步工作打好基础。划分网格可以采用habmesh、abaqus、ansys等相关软件，根据计算要求合理确定网格大小和网格类型。2确定构架有限元计算载荷根据相关计算要求，参照UIC515-

3、4客车转向架结构强度试验方法、EN13749-2011Railway applications-Wheelsets and bogies-Method of specifying the structural requirements of bogie frames等相关标准，构架在强度计算时须计算垂向载荷、横向载荷，为更全面地分析构架受力工况，计算还考虑了特殊载荷，如牵引载荷，斜对称载荷、制动力产生的载荷，减振器载荷及菱形载荷等。本文根据UIC515-4客车转向架结构强度试验方法进行构架载荷的计算，在载荷计算完成后，根据车辆实际的运行状态进行载荷组合，模拟列车真实的运行情况。（1）垂向荷载运

4、营垂向载荷根据UIC515-4客车转向架结构强度试验方法规定，每台转向架每侧的运营垂向载荷为：=处于运用状态下车辆的空车质量，正常运营载荷，（kg）：转向架重考虑浮沉与侧滚下的垂向载荷参照UIC515-4客车转向架结构强度试验方法，对于常规运行条件侧滚系数取0.1，浮沉系数取0.2。超常垂向载荷参照UIC515-4客车转向架结构强度试验方法规定，每台转向架每侧的超常垂向载荷=在测试载荷下的车辆质量（机车最大质量）特殊情况下，k=2.0（2）横向载荷模拟运营横向荷载参照UIC515-4客车转向架结构强度试验方法规定，横向力计算公式为：其中m+为转向架自重；Fz为运营垂向载荷。超常横向载荷参照UI

5、C515-4客车转向架结构强度试验方法标准，计算超常横向载荷：（3）牵引荷载构架牵引载荷作用在牵引销上。参考相关标准，一个转向架牵引力为：为设计轴重，为最大启动加速度（4）斜对称荷载模拟运营斜对称载荷，轨道扭曲量等于转向架轴距的0.5%。超常工况斜对称载荷轨道扭曲量等于转向架轴距的1%。（5）制动载荷参考相关标准，一个转向架制动力为：为设计轴重，为最大制动加速度。（6）减振器荷载减振器荷载作用在减振器座上。参照UIC515-4客车转向架结构强度试验方法标准,每个减震器不管是垂向，横向或纵向减震器施加的载荷等于1.2倍。（7）纵向菱形变形载荷模拟运营工况菱形荷载（8）5g调车根据相关标准，5g调

6、车的工况下的载荷计算如下：为转向架的质量。3静强度计算以上步骤完成后，利用有限元分析软件如abaqus、ansys等对构架进行静强度分析，分析步骤主要有：导入模型、网格检查、添加构架材料属性、设置构架载荷步、提交计算等。在添加材料属性时，注意模型所采用的单位是米还是毫米。4算例以某地铁转向架构架静强度分析为例，用本文的构架静强度分析方法对此构架进行静强度分析。通过solidworks建立此地铁转向架构架的三维模型，利用大型有限元分析软件abaqus进行网格划分，见图1。构架各载荷参照UIC515-4客车转向架结构强度试验方法进行计算，载荷组合见表1。图1 构架网格划分表1 构架选取有限元计算工

7、况载荷工况组合描述超常载荷第一工况超常垂向，k=2.0第二工况超常垂向，k=1.4+超常横向第三工况超常垂向，k=1.4+超常横向（负向）第四工况超常垂向，k=1.4+超常横向+超常扭曲第五工况超常垂向，k=1.4+超常横向（负向）+超常扭曲特殊超常第一工况5g冲击调车第二工况三点支撑，低速脱轨模拟运营第一工况垂向第二工况垂向+牵引第三工况垂向+制动第四工况垂向+三向止挡(正向)+牵引+垂向、横向减振器第五工况垂向+三向止挡(负向)+牵引+垂向、横向减振器第六工况垂向+三向止挡(正向)+牵引+轨道扭曲+垂向、横向减振器+菱形载荷第七工况垂向+三向止挡(负向)+牵引+轨道扭曲+垂向、横向减振器+

8、菱形载荷第八工况正向运行各载荷组合第九工况负向运行各载荷组合将模型导入abaqus中，按照上文步骤进行有限元计算。限于篇幅，仅选取有代表性的超常载荷第四工况和模拟运营第六工况应力云图，见图2。图2 超常工况4（左）、模拟运营载荷工况6（右）应力云图UIC515-4客车转向架结构强度试验方法标准所规定的计算工况中，模拟运营工况构架最大von Mises应力为111.2MPa，出现在二系钢簧座内侧板上部。未超出在运用工况下Q345钢许用应力为216MPa的标准；超常工况下，构架最大von mises应力为128.8MPa，出现在二系钢簧座内侧板上部。未超出在超常工况下Q345钢许用应力314MPa的标准。构架的静强度满足要求。5结论目前国内外对于城市地铁，货车等需求较大，对于一般转向架构架的静强度计算方法多种多样，相关标准未作统一规定。本文根据国际铁路联盟、欧洲铁路联盟等关于转向架构架静强度计算的相关规定，在满足计算