一种基于有限元的冶金铁水车用三轴转向架构架强度分析

一种基于有限元的冶金铁水车用三轴转向架构架强度分析

  ,杨荧

宝武集团鄂城钢铁物流管理部    湖北 鄂州 436000

摘要：转向架属于冶金行业车辆最为核心的部件之一，其构架是主要的承载部件，其承载着车体到车轮之间的纵向、横向力，同时也会受到各种零部件非常复杂载荷的影响，所以构架所具有的强度不但直接影响着轨道工程车辆安全可靠性，同时也影响着车辆的牵引性能以及运行品质，所以需要加强构架疲劳强度方面的探究。下面，文章重点就基于有限元的冶金铁水车用三轴转向架构架强度展开分析。

1.概述

针对目前冶金行业车辆的使用环境和重载运输等技术要求，设计开发了一种大轴重三轴构架式转向架，该转向架采用了整体式焊接构架，作为转向架上的关键受力部件，采用了美国SDRC公司的I-DEAS Master series 11.0集成软件，并按照TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》设计要求，对该转向架的构架结构从强度、刚度两个方面进行了计算分析。

2.结构简介

转向架构架为全钢焊接结构，该转向架为一系轴箱弹簧悬挂装置；转向架通过平面心盘支撑车辆底架，旁承为间隙式旁承；构架由左右侧梁、两根横梁及心盘梁组成，侧梁由上、下盖板、腹板及隔板组焊成箱形；横梁由上、下盖板、腹板及筋板组焊成工字梁；心盘梁由上、下盖板、腹板及隔板焊成箱形。构架材质主要为Q345qE。其结构简图参见上图。

图1 构架三维模型图

3.转向架主要技术参数

转向架主要技术参数参加下表1。

表1 转向架主要技术参数

4.模型离散

对于工程中出现的问题可以选择多种方法进行解决，目前主流用到的解决方法有三种，这三种方法主要是解析法、实验法、数值计算法。第一种方法就是解析法，此方法是当前经常用到和比较经典的方法，但是此种方法具有一定的局限性，该方法只能用来进行一些简单问题的求解。比如开展悬臂梁的力学分析、简支梁的力学分析。通过使用解析法求得的解属于精确解以及闭合解，即便利用解析法计算以后得出的方案是非闭合的，从总体的角度上来看也可以被看成闭合解，最终被认定为精确解。其次，第二种方法就是实验法。实验法的方法就是通过试验测试，求解得出目标答案。实验法需要用到较多的实验设备，设备通常比较昂贵且需要耗费较多的时间。利用实验法得出的解被划为近似解，对于取得的结果要保持一定的理性，获得的结果最少要用3-5个物理样机来进行测试，尽可能的将结果准确性提升。最后，第三种是数值计算法。数值计算法的分析是以数学理论公式作为基础进行的，该分析方法科学程度较高，能够解决生活中复杂、困难的问题。数值计算法与实验法相比较，即便是不能使用物理样机，也可以利用该方法将问题解决掉。但是数值计算法求得的解也属于近似解，求出的计算结果保持一定的怀疑态度，可以选择使用手算法、实验法等相互配合，尽可能将结果的精准程度控制在合理区间。常用的数值计算法有以下四种，分别是有限体积法(FVM)、边界元法(MBEM)、有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)。本次工程项目主要是以有限元法来建立模型，进行构架的强度分析。

有限元法的思想基础是变分原理，该原理是指导有限元法的基础和核心。有限元法主要是将整体划分为若干个相互独立的有限体，通过进行有限体的离散来进行连续区域的求解，单独计算完成后进行整合得出近似解。有限元法的关键是进行区域划分，将整体划分成各个单元，每个单元之间利用节点进行相互联系，通过转化成为简单的节点问题来解决复杂的问题。利用有限元法进行计算的过程中，计算出独立的单元之后借助单元所在的结构平衡条件，计算出单元体的解。对于各个独立的单元来讲，单元本身如果有所收敛那么求解得出的近似值也是具有收敛状态，具有较高的精确性。

对于构件来讲，利用有限元方法进行分析时必须要结合现场实际情况进行模型建立，建立起来的模型作为整体计算的基础，通过选择恰当的有限元来进行构件离散，将材料赋予一定的具体属性，限定好边界条件并进行参数的调整，调整以后获得高精确度的有限元模型。

本计算采用I-DEAS软件，进行结构离散，整个结构全部采用实体单元。离散后，结构力学模型共有结点总数13521，单元总数18752。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

5.载荷工况及计算

     构架各个工况下的载荷计算以TB/T1335-1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》为主要依据。

5.1载荷工况

载荷Ⅰ：垂直静载荷=转向架构架自重+载重，其中：转向架构自重用材料比重按体积力计入；

载荷Ⅱ：垂直总载荷=载荷Ⅰ+垂直动载荷

载荷Ⅲ：侧向力（包括风力和离心惯性力）

载荷Ⅳ：单端冲击引起的附加垂直载荷；

载荷Ⅴ：斜对称载荷；

载荷Ⅵ：制动载荷;

计算工况

组合工况一：载荷Ⅱ+载荷Ⅲ+载荷Ⅴ；

组合工况二：载荷Ⅰ+载荷Ⅳ。

组合工况三：载荷Ⅰ+载荷Ⅵ。

5.2载荷计算

经计算，各组合工况载荷如下表。(单位：KN)

表1 各组合工况载荷

6.计算结果：

计算结果应力单位按《规范》取为MPa（附图上显示的应力为kPa）

按《规范》第一工况：Q345qE许用应力为216MPa。

6.1组合工况一:最大应力161MPa，发生在心盘梁中心孔处；心盘梁最大垂向位移5.1mm。

6.2组合工况二：最大应力125MPa，发生在心盘梁中心孔处；心盘梁最大垂向位移4.3mm。

6.3组合工况三：最大应力117MPa，发生在侧梁上盖板圆弧过渡处；心盘梁最大垂向位移4.1mm。

7.结论

由以上计算结果可见，在各载荷工况下，该转向架的最大应力均不超过相应工况下材料的许用应力，满足设计要求。

参考文献

[1]张雄飞.转向架构架强度分析与优化[J].交通世界,2017,No.422(08):150-152.

[2]陈国强,华东升.机车转向架构架静强度设计方法[J].现代制造工程,2011,No.368(05):69-71+80.

1