整体锻造式低地板车辆轴桥有限元分析

2016-02-16方翁武王起梁

轨道交通装备与技术 2016年5期

关键词：计算结果整体载荷

方翁武王起梁宫峰

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011)

整体锻造式低地板车辆轴桥有限元分析

方翁武王起梁宫峰

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011)

轴桥作为低地板有轨电车连接独立轮对的关键部件，其静强度和疲劳强度直接关系到整车可靠性和安全性，因此有必要对轴桥结构强度进行深入研究，采用有限元方法对整体锻造式轴桥进行计算分析，结果表明，轴桥结构可以满足极限工况静强度要求和正常工况疲劳强度要求。

低地板车辆；锻造式轴桥；静强度；疲劳强度

针对日趋严重的城市拥堵、汽车尾气污染以及社会人口老龄化，低地板有轨电车的出现顺应了社会的需求[1-2]。轴桥作为低地板车辆特有的关键部件之一，其质量要求越来越严格，现在多采用合金钢的整体铸造式和整体锻造式轴桥，相比较而言整体锻造式轴桥的缺陷更少，成品率更高且锻造工艺更加稳定，量产后的价格低于整体铸造式轴桥[3]，因此，整体锻造式轴桥是发展趋势。此外，轴桥的静强度和疲劳强度特性又直接影响整车的性能，因此研究低地板车辆整体锻造式轴桥的静强度和疲劳强度对低地板有轨电车的推广应用具有重要的意义。

1 强度评定方法

1.1 静强度评定

将车辆在运行过程中很少遇到的极限载荷组合成各种极限工况，通过有限元方法计算出轴桥在各种极限工况下承受的最大应力，考察材料抗拉极限、屈服极限与轴桥承受最大应力的比值Sm、Sp，评估结构的静强度是否能满足使用要求。其中Sm、Sp同时满足：Sm≥2，Sp≥1.5时认为轴桥的静强度满足使用要求。

1.2 疲劳强度评定

将车辆在运行过程中经常遇到的运行载荷组合成各种运行工况，通过有限元方法计算出轴桥各运行工况下的应力分布，选取轴桥有限元模型上各节点，并基于最大主应力方向简化各点应力状态成单轴应力状态，计算出各点最大应力值σmax及最小应力值σmin，按下式计算各点的等效平均应力及等效应力幅值：

将计算出的各点等效平均应力及等效应力幅值导入Goodman疲劳极限图进行疲劳评定[4-5]。

2 模型简化

在Pro/E中建立轴桥的三维模型，为了降低计算量与计算复杂性，在保证准确反映结构特性的前提下对模型进行了局部简化，删除了一些小倒角与小孔，有限元模型采用四面体实体单元(见图1)。

图1 整体锻造式轴桥的网格

3 载荷类型与计算工况

在有限元模型中的载荷作用位置生成参考点，通过耦合约束将参考点控制相应的区域，将各工况下的集中力施加到参考点，实现对特定区域的加载。

在确定各载荷的大小时，分别参考了BS EN 13104标准、涉及车轮完整性的BS EN 13979标准以及涉及车辆构架负载的BS EN 13749标准。

轴桥承受的载荷分为运行载荷和极限载荷，这些载荷组合成轴桥在车辆运行中的不同计算工况。轴桥可能承受的所有基本载荷包括：垂直静载荷、垂直动载荷、车厢摆动时产生的载荷、横向载荷、车辆变道时的载荷、纵向载荷、制动载荷、预紧载荷、由一系弹簧扭转产生的载荷、制动器的惯性载荷等，并定义在运行工况下这些载荷的大小为单位载荷。

根据上述相关标准将上述基本载荷组合成轴桥在车辆实际运行中的各计算工况，得到26个运行工况和13个极限工况的载荷，并约定基本载荷与坐标系正方向一致为正，反之为负。

4 计算结果

4.1 运行工况下的计算结果

根据26个运行工况，将实际计算载荷施加于有限元模型，得到轴桥在运行工况下的Von Mises应力，选取轴桥上不同部位的节点，计算出这些节点在各运行工况下的最大及最小应力值，计算出各点平均应力及应力幅值。将各节点等效平均应力及等效应力幅值导入Goodman图进行疲劳强度评定，各节点疲劳强度评定结果如图2所示。图2表明轴桥上所选各节点的应力值都处在材料Goodman疲劳极限图内，因此轴桥的疲劳强度满足要求。