基于ANSYS的转向架构架强度及模态分析

杜文涛

【摘 要】为了验证某新型铁路大型养路机械转向架构架结构设计的合理性，我们运用大型有限元分析软件ANSYS结合有限元理论对其进行计算和分析。分析过程和结果的评价遵循铁道行业标准TB/T 2368-2005《动力转向架构架强度試验方法》[1]。本文主要通过三个方面的计算分析来验证其结构设计的合理性：转向架构架静强度计算分析;转向架构架自由模态计算分析;转向架构架的疲劳强度计算分析。

【关键词】转向架构架;ANSYS;有限元;强度;模态;疲劳

中图分类号： U270.33文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）33-0080-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.038

Strength and Modal Analysis of Bogie Frame Based on ANSYS

DU Wen-tao

（Research Institute，Crcc High-Tech Equipment Corporation Limited，Kunming Yunnan 650215， China）

【Abstract】In order to verify the rationality of the structure design of a new type of large railway maintenance machinery bogie frame we use the large-scale finite element analysis software ANSYS and finite element theory to calculate and analyze it. The evaluation of the analysis process and results follows the Railway Industry Standard TB/T 2368-2005 “Motive power unit-Bogies and running gear-Bogie frame structure strength tests”. In this paper， the rationality of the structure design is verified by three aspects of calculation and analysis： Static Strength Calculation and Analysis of Bogie Frame;Free modal calculation and analysis of bogie frame; Fatigue strength calculation and analysis of bogie frame.

【Key words】Bogie frame; ANSYS; Finite element; Strength; Modality; Fatigue

0 引言

转向架是关系到铁路机车、车辆及大型养路机械设备运行安全的关键零部件。特别是新设计转向架时，对其结构设计的合理性进行计算分析和试验验证显得尤为关键。在样机生产之前对其结构设计的合理性进行分析验证，能够很大程度上减小设计风险，降低试验成本，提高设计的成功率。

1 转向架构架结构特点

此转向架构架主要由横梁、变截面箱形侧梁、纵向梁组成。此转向架与其他铁路机车车辆转向架相比具有以下特点：此转向架无芯盘和中心销，垂向力主要由左右两旁承承受;横向力主要由侧梁和横向减震器传递;纵向力主要由牵引座和牵引拉杆传递;转向架构架的主材质为Q345qE，主要安装座材质为Q345D。其主要参数见表1。

2 转向架构架有限元模型

图1 转向架构架有限元模型

该转向架构架主要由薄板结构拼焊而成，构建有限元模型适合采用4节点壳单元Shell181对转向架构架进行离散。转向架轴箱悬挂装置通过弹簧单元Combine14进行模拟，轮对通过3-D梁单元Beam188进行模拟，轴箱本身用Rigid刚性梁单元进行模拟。模型采用空间笛卡尔坐标系，在该坐标系下，X轴指向车辆运行方向，Y轴与线路方向垂直，Z轴垂直于轨道平面，正方向为竖直向下。

模型共离散Shell181单元128260个，Beam188梁单元40个，Combine14弹簧单元4个，Cerig刚性梁单元32个。如图1所示。

3 超常静载工况下转向架构架的静强度计算分析

超常载荷就是验证转向架在运用时可能出现的最大载荷。在超常载荷工况下，主要考虑转向架构架承受垂向力、横向力和扭曲载荷共同作用的静强度，对于Q345qE材质，其材料的屈服强度为345Mpa，并以此作为其许用应力，评价其是否有发生永久变形的危险。

3.1 垂向载荷

3.2 横向载荷（每转向架）

3.3 扭曲试验载荷

对应于转向架翘曲至一个车轮100%减载时的构架扭曲载荷，以分析转向架脱轨时的情况。

3.4 超常载荷计算结果

超常载荷工况下的最大von_Mises应力278.05MPa，小于材料的屈服强度345MPa，说明在超常载荷作用下结构的静强度满足使用要求。转向架构架没有永久变形的危险。

4 模态分析

表2 构架低阶自振频率与振型

转向架构架的模态计算目的在于分析构架自身振动情况，以避免共振等不利行为出现。为了得到转向架结构的振动特性，对此转向架构架采用Block Lanczos法进行计算，去除刚体模态后，提取了前6阶模态，得到了其自振频率和振型。

模态分析结果表明转向架构架的最低阶自振频率已远离轮轨相互作用引起的车辆刚体振动频率，能够确保车辆正常运行。

5 主要运营工况下转向架构架的疲劳强度计算分析

按TB/T 2368-2005标准[1]中描述的13种主要运营试验工况分别对模型施加载荷进行计算。分别对每个节点求出每一工况下的应力最大值σmax和最小值σmin。得到平均应力和应力幅Δσ。

将结果描入ORE B12/RP17[1]提供的钢材疲劳极限图，即Goodman-Smith疲劳曲线如下：

由图4和图5可见，绝大多数节点应力特征位于相应的疲劳曲线包络线范围内，其疲劳强度符合要求。个别节点略超出了应力极限，但并没有超出极限应力的20%。在随后的整个疲劳试验过程中应对其进行关注。

6 结论

本文讨论了转向架构架的静强度分析，主要由超常载荷工况进行评价;分析了转向架自由模态;分析了转向架疲劳强度，主要由主要运营工况来评价。由以上计算验证了转向架构架的设计较为合理的。希望此计算思路能为今后同类的转向架设计、校核提供必要的参考。

【参考文献】

[1]中华人民共和国铁道部.动力转向架构架强度试验方法[S].TB/T 2368-2005.

[2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析人民交通出版社[M].2007.10.