转K6型摇枕结构应力的有限元仿真

王生武 李新易 赵尚超 李向伟

摘  要：摇枕是薄壁复杂构件，是转向架关键部件之一，其有限元仿真准确性对于疲劳寿命分析具有很大的影响。文章以转K6摇枕为对象，基于摇枕静载试验和实测结果，分别构建了多个不同接触系数的有限元模型，分析了接触条件对测点计算应力的影响。结果表明，转K6摇枕结构应力的有限元仿真中，接触条件的摩擦系数的影响明显，其最佳摩擦系数取值为0.4。

关键词：摇枕;K6转向架;有限元;接触分析;网格划分

Abstract： Bolster is a thin-walled complex component and one of the key components of bogies. The accuracy of finite element simulation has a great impact on fatigue life analysis. In this paper， based on the static load test and measured results of K6 swing bolster， several finite element models with different contact coefficients are constructed， and the influence of contact conditions on the calculated stress of the measuring point is analyzed. The results show that in the finite element simulation of the stress of the rotating K6 bolster structure， the influence of the friction coefficient of the contact condition is obvious， and the optimum friction coefficient is 0.4.

引言

高速重载是我国货运机车的发展方向，轴重提高意味着需要降低摇枕自重[1，2]。摇枕薄壁结构应力分布复杂且变化急剧，有限元仿真的难度相对较大。目前，在货车摇枕结构的有限元分析中，往往没有根据应力分布的变化特点进行相应的网格疏密划分[3，4]，或者忽略了实际中存在的接触问题的影响[5，6]等。同时，也缺少一定的试验结果来辅助有限元仿真时的建模和修改[7，8]。这些问题都会影响到有限元仿真结果的准确性。因此，对于货车摇枕薄壁复杂结构的疲劳寿命分析，需要建立与实际情况一致的有限元模型从而获得更为准确的应力结果。

本文对转K6摇枕进行了结构应力有限元仿真分析。与应力测试结果相互比较，建立了基于接触非线性问题的有限元模型，并进行了比较分析，确定了合理的摩擦系数。提高了摇枕结构应力的仿真准确性。

1 基于试验建立有限元模型

1.1 加载试验简介

转K6型摇枕是我国重载货车用转向架摇枕，为对称结构，长2430mm，最宽470mm、位于心盘座部位。侧壁厚20mm，双筋板厚18mm，上平面厚23mm，底部厚30mm。车体载荷施加于心盘上，二系弹簧组支撑于摇枕两端的底面[9-11]。该摇枕已依据TB/T1959-2006[12]进行了静载试验，两端底面支撑于两个台架上，两个台架下部各由一根滚柱支撑，在心盘上施加1040.96kN的垂向载荷。摇枕结构及测点位置见图1。

1.2 建立有限元模型

在不影响分析结果的前提下，省略摇枕两侧不受力的凸台、挂耳结构。同时，忽略摇枕两端底面上的圆脐，因为试验中圆脐与台架并不接触。由于心盘载荷竖直向下均匀加载，故将心盘与心盘座设为一体。

选四面体单元（S3D4）进行单元划分。对于有孔薄壁结构，应力集中现象一般出现在孔边。因此对排水孔和侧孔这些应力集中的部位进行网格细化，最小单元边长设为最薄壁厚度的1/10，即2mm。模型的网格划分情况见图2。

转K6摇枕由B+级钢铸造而成，弹性模量E为172GPa，泊松比v为0.3[11]。试验台架刚度远高于摇枕，因此将台架和滚柱均设为刚体。对心盘网格上每个节点施加相同竖直向下的载荷，总载荷等于试验载荷1040.96kN。并对滚柱轴心线上的各节点除绕轴旋转以外的自由度均施加约束。

摇枕两端底面与台架顶面之间按接触非线性问题建模。综合考虑工程实际中疲劳裂纹形成于数平方毫米区域内和加载试验中应变片的敏感栅面积，本文对有限元计算获得的应力进行取平均值处理。

2 基于试验进行有限元分析

为分析摩擦系数对应力计算结果的影响，分别设置摩擦系数μ=0.2、0.3、0.4、0.5、0.6进行计算。有限元应力计算结果、加载试验应力实测值，及差值见表1，與μ之间的变化曲线见图3。

在上述μ值范围内，测点的有限元应力结果和差值均与μ呈线性变化。由图3可以看出，对于测点4、5-1、5-2、6、7位置，随着μ的增大而逐渐接近0;对于测点1、2、3、8位置，均与零轴有交点，其中测点1、3、8位置约在μ=0.4时交于同一点，且此时的差值接近0。当μ=0.4时，测点7位置的差值绝对值为最大，也仅为7.2MPa。此误差水平已经满足有限元疲劳分析的计算误差要求，因此可认为0.4为相对最为合理的摩擦系数选值。

3 结束语

本文在与摇枕静载试验结果相互比较的基础上，进行了K6转向架摇枕结构应力的有限元仿真。由分析结果可知，对于转K6型摇枕静载试验，接触摩擦系数对应力计算结果的影响较为显著，其合理的接触摩擦系数应为0.4。本文所建立的有限元模型，可获得相对合理的K6型转向架摇枕的疲劳寿命分析结果。

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