基于HyperMesh的机车转向架构架静强度及疲劳强度分析

摘要：本文利用HyperMesh软件建立了构架的三维有限元模型，根据标准UIC615-4对构架施加各种载荷工况，然后利用HyperMesh与其他CAE软件求解器接口，把有限元模型导入求解器中求解各工况下的应力，并进行校核，完成构架的静强度及疲劳强度分析。
关键词：HyperMesh 构架 静强度分析 疲劳强度分析

引言

转向架是机车的主要组成部分，它利用轮轨间的黏着保证牵引力的产生，保证机车顺利通过曲线并使机车具有较好的运行平稳性和稳定性[1]。构架是转向架的骨架，是转向架其他零部件的安装基础，承受各零部件所产生的载荷[2]。构架的受力状态非常复杂，为保证机车运行的安全性，有必要在转向架设计时对构架进行强度评估。本文以某机车构架为研究对象，利用Altair公司的HyperMesh软件建立构架的有限元模型，并进行有限元分析。

1 构架有限元模型

本文中讨论的机车构架的结构特点为端部牵引，框架为“日”字形结构，主要由2根侧梁1根横梁1根端梁及1根端部牵引梁组成，各梁皆为由钢板焊接而成的箱型焊接结构。中间横梁设有电机吊挂座。端部牵引梁设有牵引座与牵引杆连接，给车体提供牵引力。

在构架设计时用三维软件建立构架的三维模型，然后导入到HyperMesh中，利用HyperMesh的抽中面功能建立由面元素组成的构架模型。由于整个构架主要由钢板焊接而成，其长度和宽度远大于其厚度，因此构架主要离散成壳单元，部分安装座离散成实体单元。最后离散出壳单元78006个，实体单元4804个，节点78466个，构架有限元模型如图1所示。

图1 构架有限元模型

2 计算参数及载荷工况组合

在转向架构架的强度计算分析中，计算载荷和载荷工况参考《UIC615-4 动力转向架构架强度试验》标准中规定的计算载荷和载荷工况实施。

2.1 计算参数

构架强度计算的基本参数见表1。

表1 构架计算参数

2.2 载荷工况组合

本文按照UIC 615-4标准，利用HyperMesh软件分别对构架有限元模型施加超常载荷和运营载荷，并直接导入求解器中进行计算，根据应力计算结果，评估构架的静强度。其中超常载荷用于评定构架的静强度，而运营载荷用于评价构架的疲劳强度。

超常及运营载荷主要有：

超常工况垂向载荷 、模拟运营垂向载荷 ，作用于二系簧座；
超常工况横向载荷 、模拟运营横向载荷 ，作用于二系簧座及横向止档；
牵引电机和传动系统的静载荷 ，作用于电机悬挂点；
电机额定转矩产生的的载荷 、 ，作用于电机悬挂点；
5‰轨道扭曲位移 ，10‰轨道扭曲位移 ，作用于在一系簧；
构架承受转向架3g冲击载荷 ，作用于牵引座。

根据标准UIC 615-4，主要运营工况和超常工况的组合如表2所示。考虑车体侧滚及浮沉的影响，取α=0.1，β=0.2。

表2 工况组合

3 计算结果及分析

3.1 静强度计算结果分析

静强度评定：对于工况12～15，构架各点Von Mises应力均不得大于材料的屈服强度极限345MPa。

构架静强度计算结果见表3（TOP面为构架模型各梁的外法线方向，以下计算结果中的壳单元的Top及Bot面应力以此取向而定）。构架各工况Von Mises应力分布云图见图2～图9，从中可以看到，在工况13载荷作用下，最大应力值出现在牵引梁与侧梁交接处的下盖板圆弧处，最大应力值为314.324Mpa，小于材料的屈服极限345MPa，构架静强度满足设计要求。

表3 构架静强度计算结果

3.2 疲劳强度计算结果分析

疲劳强度评定：选取构架中应力较大各点，取工况1～11下各点应力值σmax，及最小σmin，按下式计算各点平均应力及应力幅值：

计算出的各点平均应力及应力幅值按Goodman疲劳极限图评定。

对于工况1～11，将各节点平均应力及应力幅值计算结果放入Goodman图进行疲劳强度评估，构架各节点疲劳强度评定结果见图10及图11。可见构架上全部点都落在Goodman疲劳极限曲线内。计算结果表明，构架主体结构和焊缝疲劳强度满足设计要求，并具有一定的强度储备。

图10 构架TOP面各节点Goodman图 图11 构架BOT面各节点Goodman图

4 结束语

根据构架的结构特点，把构架离散成壳单元能显著减小计算的规模，并且不损失计算的精确性，利用HyperMesh软件的抽中面功能可以快速建立构架的壳单元模型。在HyperMesh软件中很方便对构架模型施加组合工况载荷。HyperMesh与其它工程软件具有良好的接口，使其运用范围非常广泛。

5 参考文献
[1]鲍维千, 孙永才. 机车总体及转向架.中国铁道出版社[M].2010
[2]叶洪岩, 邬平波.转向架焊接构架静强度分析及疲劳强度评估[J]. 铁道机车车辆.2011(2),23.