高速列车轴箱体强度分析及结构优化

张　涛，李　超，薛　海

(兰州交通大学 机电工程学院，兰州　730070)



高速列车轴箱体强度分析及结构优化

张涛，李超，薛海

(兰州交通大学 机电工程学院，兰州730070)

摘要：针对高速列车车辆零部件的安全性能要求逐步提高的问题，以高速列车转向架关键部件轴箱体为例，利用ANSYS Workbench软件对其进行静强度分析。基于静强度分析结果采用临界面法Brown-Miller模型对轴箱体进行疲劳寿命预测，最后采用变密度法对轴箱体进行优化设计，实现轴箱体的轻量化设计。

关键词：结构优化；Brown-Miller模型；疲劳寿命；轴箱体；高速列车

随着动车组运营速度的提高，转向架各零部件的工作环境越来越恶劣，导致其载荷情况复杂，疲劳失效频发，影响行车安全。特别是转向架定位轴箱体，作为转向架重要的承载部件和运动形式转换关节，其强度性能至关重要。由于定位轴箱体属于铸件，在成形过程中很容易产生缩松、缩孔等组织缺陷，在后期检修过程中多次发现轴箱体出现裂纹[1]。因此，本文以某型动车组转向架定位轴箱体为研究对象，对其进行强度分析并进行寿命预测，为轴箱体制定合理的检修周期。同时依据强度分析的结果对其进行结构优化，实现轴箱体的轻量化设计。

1相关理论基础

1.1轴箱体结构及承载特点

动车组常用的定位方式有拉板式、拉杆式和轴箱体式等，本文选取轴箱体式定位方式。

动车组运行过程中，垂向力、纵向力和横向力的传递路线上都要经过轴箱体结构[2]。因此，轴箱体疲劳寿命预测属于多轴疲劳问题。

图1　轴箱体式定位结构

1.2疲劳分析方法

目前，多轴疲劳损伤模型有3类[3]：① 复杂应力状态下静态屈服理论向疲劳理论的延伸；② 基于能量的方法；③ “临界面”法。Findely最早提出临界面概念，Mcdiarmid和Brown-Miller等对其进行了深入研究。临界面法疲劳损伤模型有正应变模型、Brown-Miller模型、Bannantine模型和Wang-Brown模型等。Brown-Miller模型同时考虑了剪应变和正应变，并且也比较适合大多数金属[4]。因此，本文选用临界面法Brown-Miller模型进行疲劳寿命预测分析。

考虑到平均应力影响，利用Morrow公式对Brown-Miller模型进行平均应力修正，修正后可表示为[5]：

(1)

2轴箱体静强度分析

2.1载荷依据及约束条件

轴箱体强度校核通常借鉴构架相关试验标准，肖守讷[6]通过把EN13749∶2005标准与BSEN12082∶1998、UIC515-5∶1994轴箱试验标准进行对比，得出EN13749更适合轴箱体强度校核。因此，本文选用EN13749∶2005进行相关载荷推导。

根据实际对轴箱体进行强度试验情况，按照图2对轴箱体添加相关边界条件。

图2　轴箱体边界条件示意图

2.2轴箱体有限元模型

首先建立轴箱体刚性节点整体模型，在橡胶节点处进行填充处理。其次，轴箱体结构采用四面体网格进行划分，单元大小为10mm。仿真轴采用六面体网格，单元大小为30mm。共有247 863 个节点，148 337个单元，如图3所示。

图3　轴箱体整体有限元模型

2.3静强度分析结果

利用ANSYSWorkbench软件对轴箱体结构进行静强度分析，得到相关应力分布，见图4。由图4可知：最大Von-Mises应力值为230.39MPa，小于材料屈服极限271MPa，轴箱体结构强度符合要求[7]。

图4　轴箱体应力云图

3轴箱体结构疲劳寿命预测

疲劳寿命分析的思路是：以有限元分析的应力应变结果为基础，结合轴箱体材料JISH4140A7050FD-T74的S-N曲线，应用疲劳理论计算零部件的疲劳寿命分布和安全系数分布。疲劳寿命分析载荷谱主要由参考文献[8-9]来确定。

利用Fe-Safe软件进行分析计算，得到轴箱体结构疲劳寿命分布和安全系数分布，见图5、6。

图5　轴箱体疲劳寿命估算结果

图6　轴箱体安全系数分布图

轴箱体的应力薄弱部位见图5中局部放大图。轴箱体最小疲劳寿命约为10e7.249次，约为1 774万次，高于标准EN13749∶2005规定的1 200万次，轴箱体的疲劳强度满足设计要求。

4轴箱体结构优化

根据轴箱体静强度和疲劳寿命分析结果，采用结构优化中的拓扑优化的方式对轴箱体进行结构优化，达到轻量化设计。

4.1拓扑优化数学模型

本节基于变密度法对轴箱体进行拓扑优化设计，以应变最小作为目标函数，以材料体积分数上限和应力值为约束条件，设计变量为单元密度。其数学模型如下：

式中，C为应变能；F为外载荷矢量；D为位移矢量；V为充满材料的体积；V0为设计区域体积；V1单元密度小于xmin的材料体积； f为剩余材料百分比； xi为设计变量；xmax和xmin为单元密度的上下限。

4.2轴箱体拓扑优化

利用三维软件对轴箱体进行结构简化，建立轴箱体拓扑优化有限元模型，如图7所示。设计区域Ⅰ、Ⅱ分别使用脱模约束[10]，设置体积上限为0.3及0.5、最大应力230.39MPa为约束条件。

图7　轴箱体拓扑优化有限元模型

将以上定义的拓扑优化模型导入Hypermesh/Optistruct模块进行计算，经过19次迭代最终收敛，密度云图见图8。

图8　优化后轴箱体材料密度云图

利用OSSmooth模块输出STL格式几何模型，并对其进行人工处理最终得到轴箱体新结构。新结构和原结构相比，新结构设计区域Ⅰ的箱型壁厚减小，同时在箱体内多了一条斜拉筋板，其结构如图9(a)所示。新结构设计区域Ⅱ沿径向尺寸也减小，周向靠外侧有两条加强筋，靠近弹簧座的位置，也有两条斜拉筋板。其结果如图9(b)所示。

图9　轴箱体优化后结构

4.3优化结构强度验证

建立优化后轴箱体整体有限元模型，导入ANSYSWorkbench软件进行强度分析。仿真结果显示：优化后的结构最大应力为221.08MPa，比优化前降低4.04%；优化后轴箱体质量为62.73kg，较原结构的68.50kg降低了8.43%。由此可知：经过拓扑优化设计，后轴箱体实现了轻量化目标，为实际生产带来显著的经济效益。

5结论

1) 轴箱体最大Von-Mises应力为230.39MPa，小于材料屈服极限，满足静强度使用要求。

2) 轴箱体最小寿命为1 774万次，高于标准EN13749∶2005规定的1 200万次，疲劳强度满足设计要求。

3) 通过对轴箱体进行拓扑优化设计，不仅使受力情况得到改善，质量较原结构也降低了8.43%，实现了轻量化设计。

参考文献：

[1]蒋玉峰.CW-2(1)型转向架轴箱断裂原因分析及改进[J].铁东机车车辆工人,2010(9):24-26.

[2]商跃进.动车组车辆构造与设计[M].成都:西南交通大学出版社,2010.

[3]王国军,胡仁喜,陈欣,等.nsoft疲劳分析理论与应用实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[4]段牧染.基于瞬态动力学的气缸盖多轴疲劳寿命预测及研究[D].太原:中北大学,2012.

[5]SHANGDG,WANGDJ.Anewmultiaxialfatiguedamagemodelbasedonthecriticalplaneapproach[J].InternationalJournalofFatigue,1998(20):241-245.

[6]肖守讷,杨冰,曲天威，等.EN13749标准在机车轴箱体强度分析中的推演应用[J].机车电传动,2013(2):38-41.

[7]贾璐,宋烨,戴焕云.高速动车组轴箱体强度分析[J].计算机仿真,2015,32(8):185-189.

[8]高磊,邬平波.高速动车组轴箱静强度疲劳强度试验载荷的确定[J].机械,2014,41(9):1-4.

[9]王次安,王挺.基于ANSYSWorkbench的ZL50型装载机前车架疲劳寿命分析[J].北京汽车,2011(6):40-43.

[10]李楚琳,张胜兰,冯樱,等.HyperWorks分析应用实例[M].北京:机械工业出版社,2008.

(责任编辑杨文青)

Strength Analysis and Structural Optimization of Bogie Axle Box for Highspeed Train

ZHANG Tao, LI Chao, XUE Hai

(School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract:With the problem that the requirement of high-speed train is improved constantly, we selected axle box of key component of highspeed train as the research object. Static strength analysis was carried out with the ANSYS Workbench software. Furthermore, based on static strength analysis, the fatigue life of axle box was estimated using Brown-Miller criterion with assessment. Finally, topological optimization design was made for the axle box basis of the artificial materials method to achieve its lightweight design.

Key words:structural optimization; Brown-Miller criterion; fatigue life; axle box; highspeed train

收稿日期：2016-03-11

基金项目：兰州交通大学青年基金(2014020)

作者简介：张涛(1985—)，男，甘肃白银人，博士研究生，主要从事车辆零部件疲劳可靠性设计研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.003

中图分类号：U270.12

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)06-0013-04

引用格式：张涛，李超，薛海.高速列车轴箱体强度分析及结构优化[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(6):13-16.

Citation format：ZHANG Tao, LI Chao, XUE Hai.Strength Analysis and Structural Optimization of Bogie Axle Box for Highspeed Train[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):13-16.