SKMB-200 型转向架构架强度与结构优化仿真分析

张嘉鹭，马 军，竺亚升

（江苏师范大学 机电工程学院，江苏 徐州 221008）

转向架作为高速动车组的走行部，对动车组运行的稳定性、平顺性和安全性有着重要影响。构架是其主要的承载部件，转向架上的各个零部件均须安装于构架上并形成一个整体。因此，动车组转向架在服役过程中要求其构架须具备足够的强度，以确保列车行驶安全[1]。

目前，我国科技工作者在构架强度及疲劳校核领域已进行了一些研究。例如，梁红琴等[2]以CRH2 动车组转向架构架为研究对象，结合S-N 疲劳曲线进行了较大应力部位的疲劳寿命预测和可靠度评估；荆志勇等[3]依据国际铁路联盟规范UIC615-4 标准，校核了CRH5 型动车组构架的强度；冯遵委等[4]探究了超常工况和模拟运营工况载荷条件下构架的静强度，并将构架在不同工况下受到的静、动载荷相加，进行了二次校核。

然而，现阶段针对构架的研究仍多以强度校核及疲劳分析为主，针对其优化设计的研究相对较少[5]。因此，本文借助有限元和虚拟仿真技术，采用ABAQUS、Hyperworks 等多种CAE 软件，以应用于CRH380A 型动车组上的SKMB-200 型动力转向架构架为研究对象，对其静强度和结构优化进行仿真分析。

1 三维模型的基本处理

1.1 网格划分

SKMB-200 型转向架构架主要由左右侧梁、两个横梁和纵向连接梁焊接而成，构架的主要承载构件采用符合JISG3114 标准的SMA490BW 型耐候钢材料，其他部位采用合金结构钢。限于篇幅，本文将SMA490BW 钢的弹性模量、密度、泊松比等参数列出，如表1 所示。

表1 构架材料属性

本文参照SKMB-200 型转向架构架的几何参数，在Solidworks 中建立其三维实体模型，如图1 所示；然后，将模型存为IGES 格式并导入ABAQUS 软件中进行网格划分。

图1 SKMB-200 型转向架构架三维模型

由于构架形状较为复杂，本文采用自动网格划分与人工划分相结合的方式，选用C3D10 类型和四面体形状，将此模型共离散成43 013 个单元、72 071 个节点[6]。网格划分后的模型如图2 所示。

图2 网格划分后的模型

1.2 设置约束

在设置约束时须充分考虑SKMB-200 型转向架服役过程中的实际工况，本文添加的约束包括位移约束和弹性约束。在轴箱弹簧座和转臂定位销座处添加弹簧约束，设置轴箱弹簧座处的垂向刚度为1.244 kN/mm、横向刚度和纵向刚度为0.98 kN/mm，转臂定位销座处的横向刚度为5.49 kN/mm，在横梁的牵引拉杆处添加纵向弹性约束。位移约束设置为4 个一系弹簧的相对于地面的位移约束。

2 静强度载荷计算

2.1 载荷计算方法

在国际铁路联盟标准UIC615-4 中，关于转向架构架的静强度载荷试验包括超常载荷实验和模拟运营载荷实验。构架受载示意图如图3 所示。在超常载荷及模拟运营载荷中均包括垂向载荷、横向载荷和斜对称载荷[7]。

图3 转向架构架受载示意图

2.1.1 模拟运营工况载荷计算

1）垂向载荷。

垂向载荷作用于构架左右空气弹簧支撑梁上，其计算公式如下：

式中：Fz为模拟运营工况左侧垂向载荷，N；g为重力加速度，取9.8 m/s2；mv为运行阶段空车质量，取35 880 kg；C1为模拟运营时乘客质量，取19 200 kg；m+为转向架质量，取7 300 kg。

2）横向载荷。

式中：Fy为模拟运营工况下横向载荷，N；Fz为模拟运营工况下垂向载荷，N。

3）斜对称载荷。

在模拟运营工况下，需考虑轨道5‰扭曲产生的载荷。

2.1.2 超常工况载荷计算

1）垂向载荷。

式中：Fz1max为超常工况左侧垂向最大载荷，N；Fz2max为超常工况右侧垂向最大载荷，N；C2为超载时乘客质量，取27 800 kg；nb为单个车厢下转向架数量，取2。

2）横向载荷。

式中：Fymax为超常工况下横向载荷，N；ne为各转向架的轴数，取2。

3）斜对称载荷。

在超常工况下的斜对称载荷，需考虑轨道1‰扭曲产生的载荷。

2.2 不同工况载荷计算

根据国际铁路联盟标准UIC615-4，可以得到15种不同的工况条件，包括2 种超常载荷条件和13 种模拟运营工况载荷条件[8]。限于篇幅，本文选取5 种不同的工况进行分析，其中工况1 至4 为模拟运营工况，工况5 是超常载荷工况。

在载荷计算时还需将曲线运动对转向架产生的影响考虑进去[9]。为了模拟车体滚动和垂直运动引起的垂直载荷的变化，取侧滚系数α=0.1，浮沉系数β=0.2。

参照UIC615-4 标准，可得各工况载荷计算表，如表2 所示。结合2.1 节中的公式及相关数据，可依次计算出工况 1 至工况 5 的载荷，并以此确定ABAQUS 仿真所需的载荷数值。

表2 各工况载荷计算表

3 仿真结果与分析

SKMB-200 型转向架构架在不同工况载荷下的等效应力分布云图如图4 所示。从工况1 的应力云图可以看出，最大应力位于侧梁下盖板圆孔位置处，为225.7 MPa；从工况2 的应力云图可以看出，最大应力值也位于侧梁的下盖板圆孔处，为209.0 MPa；从工况3 的应力云图可以看出，最大应力出现在横向止挡座与横梁管连接处，为250.3 MPa；从工况4 的应力云图可以看出，最大应力出现在侧梁下盖板圆孔位置处，为196.2 MPa；从工况5 的应力云图可以看出，最大应力出现在横向止挡座与横梁管连接处，为307.6 MPa。

已知构架材料SMA490BW的屈服极限为355 MPa。从表3 中可以看出，在模拟运营工况载荷下所能达到的最大应力为250.3 MPa，在超常工况载荷下所能达到的最大应力为307.6 MPa。可见，以上工况的最大应力均小于构架许用应力，构架静强度符合标准，不会发生强度屈服现象。

表3 各工况的应力最大值位置及其大小

图4 构架等效应力分布云图

4 构架优化

如前文所述，转向架构架材料为SMA490BW 型耐候钢，其许用应力为355 MPa，而在静强度仿真分析中得出的最大等效应力为307.6 MPa，因此该构架仍存在一定的结构安全裕度，构架可进行一定程度的优化[10]。本文选用前面分析中应力值最大的超常工况载荷进行结构优化分析。

4.1 优化前期处理

（1）设计变量。构架是由板和实体组成的，其侧梁是由上下盖板和内外侧板组成，本文选用4 个板厚来作为设计变量，它们分别是侧梁的上、下盖板和内、外侧板。

（2）目标函数。构架的优化分析是在保证构架的强度满足要求时，降低架构质量，因此构架的质量最小化就是本文的目标函数[11]。

（3）约束条件。本文选用了国际铁路联盟构架强度标准，要求构架的最大应力要小于材料许用应力355 MPa。考虑安全裕度，本文确定约束条件为最大等效应力要小于330 MPa。

4.2 优化分析过程

通过Hyperworks 软件对模型再次进行预处理，包括定义材料属性、划分网格、添加载荷和约束等；并将模型被划分为3 部分：优化设计区域、非优化区域、单元连接。优化区域采用壳单元划分网格（Shell），非优化区域用实体单元划分网格（Solid），两区域的连接通过焊点模拟（Spotweld）。进而添加设计变量，设置上下盖板的初值为27 mm、内外侧板的初值为20 mm，其上下限值如表4 所示；设计变量定义完成后，通过体积响应和应力响应定义目标函数和约束条件。优化结果如图5 和6 所示。

表4 设计变量初值和上下限值

图5 优化后构架厚度云图

图6 优化后构架等效应力云图

从仿真结果中可以看出，优化后侧梁上下盖板的厚度变为18 mm，内外侧板的厚度变为20.5 mm，构架总质量减少109 kg，轻量化6.8%；优化后最大等效应力为329.98 MPa，仍满足强度要求。

5 结论

（1）根据UIC615-4 标准，选取5 种载荷工况在ABAQUS 软件中进行静强度仿真分析，结果表明：在模拟运营工况下构架的最大应力值分别为 225.7、209.0、250.3 和196.2 MPa，在超常载荷工况下构架的最大应力值为307.6 MPa。由于构架主材料SMA490BW型耐候钢的许用应力为355 MPa，因此在以上工况中构架的静强度符合标准要求，不会发生强度屈服现象，且存在一定的结构安全裕度。

（2）在Hyperworks 软件中选取超常载荷工况对构架进行结构优化分析，设置侧梁上下盖板和内外侧板的厚度为设计变量、最大等效应力值为约束条件、构架最小质量为目标函数。结果表明：优化后侧梁上下盖板的厚度变为18 mm，内外侧板的厚度变为20.5 mm，总质量减少109 kg，较优化前降低6.8%；构架最大等效应力值为329.98 MPa，仍满足其强度要求。

（3）通过对构架结构参数的优化，可有效降低SKMB-200 型转向架的簧下质量，进而提升其动力学性能，可为动车组转向架设计与结构优化提供参考。