CRH380B型动车组非动力转向架构架有限元分析

李云鹏 王斌

摘要：随着我国经济的快速发展，客货运输量一直在攀升，为满足需求，列车速度也一直在提升。2007年4月铁路第六次大提速，开始投入使用自有品牌CRH系列高速列车，标志着我国铁路正式进入高速铁路时代，并探索了中国高速铁路的技术。经过十多年发展，我国动车组技术已经达到世界领先水平，动车组技术涉及学科相当广泛，而转向架又是动车组技术的关键，所以高速动车组转向架构架是目前动车组技术研究的重要方向。本论述主要以我国已在线运行的CRH380B型动车组非动力转向架构架为研究对象，对其转向架构架完成三维实体建模，根据国际铁路联盟UIC515—4和UIC510—5对其进行有限元分析，对所得数据进行分析，结构进行优化。

关键词：转向架构架;静强度;有限元

中图分类号：U270.33 文献标志码：A

1研究背景

随着我国经济的快速发展，为满足客运、货物运输需求，从1997年开始至2007年，我国铁路经历了六次大提速。2007年4月我国铁路第六次提速后，开始投入使用自有品牌CRH系列高速列车，标志着我国铁路正式进入高速铁路时代，并探索了中国高速铁路的技术。2004年1月国务院常务会议讨论通过《中长期铁路网规划》，“十二五”期间大力推动了我国的铁路建设，现已基本投入使用。其“四纵四横”客用专线和三个城际客用系统也奠定了我国高速铁路的发展，推动我国正式进入高铁时代，并为我国成为铁路强国打下基础。

CRH系列动车组是衔接我国普通铁路领域的快速列车，前期是由我国企业和多家国外企业通过技术合作生产的，后期CRH380系列和中国标准动车组等，均是由我国通过吸收、消化国外先进技术和自主创新新技术，由中国中车集团自主生产。2015年6月在俄国第二大城市圣彼得堡，我国中铁二院工程集团顺利签订俄罗斯首条高铁规划设计合同，并正式签署了合同，成为我国高铁开拓国际市场的第一单。如今我国高铁已处于世界领先水平，并成功地走出了国门，中国高铁也成为我国一张强有力的外交名片。

列车的快速发展，一直发展到如今较为先进的高速动车组、磁悬浮列车等，从慢到快一直不能忽视的就是安全性、舒适型和可靠性，首当其冲的是安全性，它是保障列车能够运营的基本条件。高速铁路涉及的学科非常广泛，动车组是其关键之一，占据了非常重要的地位，对于动车组的各个部件而言，转向架直接决定了列车的安全性、舒适性、可靠性。所以研究转向架是高速列车发展的关键所在。本论述主要研究CRH380B型动车转向架关键零部件构架的有限元分析。

2构架建模

CRH380B型动车组转向架是在比较成熟的高速动车CRH3C转向架的基础上经过合理改造而成，针对车辆载重的要求，对转向架进行轻量化处理并对悬挂参数进一步调整，使其更为经济和优越。CRH380B型动车组编组方式采用了“4动4拖”的形式，动力配置方式为动力分散式，其中动车转向架分为动车转向架（简称M）和非动力转向架（简称T），两者结构大体一致，但是不可以互换使用，本论述主要研究非动力转向架的重要部件强度分析。表1为CRH380B型转向架的主要技术参数简介。

CRH380B型非动力转向架主要结构和其他动车组转向架基本一致，都是以构架为主体，使用一系悬挂连接轮对和构架，使用二系连接转向架与车体。非动力转向架构架主要由两个侧梁和两个横梁焊接而成H形构架，侧梁上还安装焊接有一系垂向减震器，也就是一系弹簧安装座帽筒、转臂定位座、抗蛇形减震器座等;横梁上安装焊接有牵引拉杆座、制动横梁等，如图1所示。

3有限元分析

随着高速铁路的普及，速度的提升也伴随着安全保障的要求，对于铁道车辆的各个零部件尤其是转向架的强度要求，也制定出了一定的标准。就目前来看，主要有铁道国际联合会UIC标准、日本JIS标准以及欧洲一些国家的标准。CRH380B构架强度根据铁道国际联合的UIC 515-4和UIC 615-4标准进行计算（其中非动力转向架采用的标准为UIC 515-4，动车转向架采用的标准为UIC 615-4），所选用的材料必须符合EN10025标准，许用应力应满足DIN 15018标准规定，见表2所列。

有限元法（6nite element method）是一种高效能、常用的数值计算方法。该方法的基本思想是将一个连续的结构分割成若干个单位，通过建立有限元数学模型，最后通过求解得出结果。利用有限元分析实际问题的主要步骤为：建立模型，推导有限元方程列式，求解有限元方程组，数值结果表达。在整个实际问题分析中，我们也可以将步骤分为初步分析、预处理、求解和后处理四个阶段。这样能让我们更具体的对问题进行分析，有限元法解决问题的基本流程如图2所示。

3.1构架的有限元模型

利用ANSYS对转向架构架进行分析：首先将其转换成有限元模型，为其设定材料属性整体为结构钢材料，然后对其进行网格的划分，根据大量阅读有关于动车组转向架强度分析的文摘和论文，可以总结出构架模型的网格划分一般为20万到80万之间，网格划分在这个范围之间进行有限元分析，所得出的结果跟实际才会相差不大。

根據CRH380B动车组构架的实际情况，我们还要对构架进一步处理，首先要将结构中焊缝的位置进行过渡处理，还要对构架中较小的孔和倒角进行处理，这样做主要是为了防止应力集中给所求结果带来偏差，使后序分析结果有一定保证，也对后期分析能做出正确的参数。结合以上所有前期工作，对网格的划分Siz-ing设置为10mm，所划分结果为节点数（Nodes）为1502834，网格数（Elements）为670249。划分好网格的模型如图3所示。对于构架的固定约束应为一系弹簧和构架接触的地方，也就是左右侧梁两端帽筒内端面。

3.2构架载荷计算

根据UIC 515-4标准，对转向架构架进行静强度分析的主要目的是为了证实其构架在运行过程中的可行性和安全性。静强度分析一般分为四大类，分别是在超常载荷强度分析、模拟运行各种载荷下的强度分析、模拟运行过程中特殊载荷的强度分析以及疲劳分析。本论述主要分析超常载荷和模拟主要运行载荷的静强度分析。

3.2.1超常载荷计算

超常载荷静强度分析是为了证明在运行工况下，转向架构架承受最大载荷所产生的作用力时，转向架是否会产生永久变形的危害。其载荷主要分为垂直载荷和横向载荷。

注：①非动力转向架质量m⁺（kg）由表1可查得，取值8000kg;

②在测试载荷下的车辆质量（空载）m-（kg）由表2可查得，取最大的非动力空载时的质量即可，即56520kg;

③测试载荷c2（kg）但由表4查得非动力最大载重时的数据（一般为二等座车厢），取非动力中最大值即可，即6400kg。

（2）横向载荷作用力

FY（N）=0.5·（Fz+0.5m⁺·g）

在模拟运营载荷分析时还要考虑到直轨、弯道、因为滚动和颤动产生的作用力以及轨道扭曲带来的影响。

弯道的影响可以解释为一个横向作用力和一个滚动力，用垂直作用力的百分比α来表示，α=0.1。

作用力在一定范围内的变化可以解释为一个颤动力，用垂直作用力的百分比β来表示，β=O.2。

注：在欧洲铁路系数α和β的总量为0.3，在全球范围内都可以比照。不同的操作可能使用其他的系数，如轨道条件明显比较恶劣的情况下，可使用总量0.4的系数。

（3）模拟运行各个工况的载荷计算见表4所列。

3.3转向架构架的强度分析

转向架的静强度分析，就是在常温情况下施加静载荷所做的结构分析，主要是来校核转向架构架的刚度和强度，也就是构架抵抗变形的能力和承载能力。本章主要进行的是CRH380B型非动力转向架构架的静强度分析。

利用ANSYS进行有限元分析，是在软件界面模拟施加工况载荷，得出构架结构在各个工况下的应力云图，最后结合构架本身结构，寻找出最为薄弱的结构点也就是应力最大的地方，后期对最为薄弱的结构处进行优化设计。

在力学中强度理论包括四个理论，分别为最大拉应力理论、最大伸长线应变理论、最大切应力理论以及形状改变比能理论。在对载荷工况校核的时候应该选择适合的强度理论，并根据不同材料的特点选取破坏形式和引力状态。在轨道客车強度分析过程中主要选择应用于脆性断裂材料的第一强度理论和适用于塑性屈服材料的第四强度理论。

导致结构断裂或者破坏的主要因素是最大拉应力。当零部件某一部位受到载荷后应力过大，当此处的应力值趋近于该结构材料的极限最大应力值，此时就会发生断裂或者永久性变形，从而无法保证该结构的完整性和稳定性。

第一强度理论：主应力应小于材料的极限应力，即

σ1≤[σ];

根据上述理论在常温下进行对转向架构架的强度分析，主要分析构架在各种工况之下的静强度，检验构架在各种工况下是否都能保证应力小于材料的最大应力值，是否会产生断裂或者永久变形，从而确保转向架的强度满足所需要求，以至于整个动车组的稳定性和安全性。

在利用ANSYS软件计算有限元时，材料的设定按照CRH380B型转向架构架材料16MnR低合金结构钢来设定，通过TB/T2368-2005可以知道16MnR低合金结构钢的具体参数，许用应力为340MPa，弹性模量为2.9×10⁵，泊松比为0.28。构架结构焊接的焊缝在分析过程中也假设为16MnR低合金结构钢，所以整个构架的材料均为一种材料。利用ANSYS分析后得到最大应力值、最大应变值以及最大应变值，以及最终可生成应力云图。

3.3.1超常栽荷强度分析结果

（1）超常载荷强度分析结果（最大应力、最大应变、最大形变）见表5所列。

（2）超常载荷（工况1、2）应力分布云图如图4.5所示。

3.3.2模拟运行强度分析结果

（1）模拟运行强度分析结果（最大应力、最大应变、最大形变）见表6所列。

（2）模拟运行（9种工况）应力分布云图如图6～14所示。

4结论

通过ANSYS对CRH380B转向架构架进行了静强度分析，分别为超载工况和模拟运行工况（总共11种工况）。由上述分析结果来看，所有工况都基本符合构架的材料极限值。构架的最大应力值出现在超载工况时候为228.1MPa，所以该转向架构架满足使用要求。如需进一步加强构架，可根据分析结果进行优化，没有横向力作用时，最大应力值出现的位置为侧梁二系悬挂空气弹簧安装座，应在此加厚受力座也可以焊接加强筋来增强此处的承受能力;当有横向力作用时，最大应力值出现的位置为横向止档，建议将焊接成横向止档的中间立板加厚。从而保证高速动车组在运行时具有更好的安全性、可靠性及舒适性。