地铁车转向架构架的疲劳强度分析

本文利用HyperMesh建立构架的有限元模型，参照UIC615-4标准对构架加载主要运营载荷，用RADIOSS求解各工况下的应力，并计算出关键点的应力幅和平均应力。然后用HyperGraph软件绘制材料的Goodman疲劳极限图和关键点的平均应力和应力幅的关系，根据Goodman图完成了构架的疲劳强度分析，得出构架的疲劳强度合格的结论。

1 引言

转向架是地铁车辆的重要部件之一，它直接承载车体重量，保证车辆顺利通过曲线。同时，转向架的各种参数也直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。构架作为转向架其余零部件的安装基础，不仅要将车体重量和运行中的振动载荷传递到轮对，还要承受连接在其上的牵引、制动与悬挂系统部件所产生的各向载荷。由于构架有如此复杂的受力状态，因此，有必要在转向架的设计阶段对构架的疲劳强度进行评估。本文以地铁车转向架的构架为研究对象，利用Altair公司的HyperMesh软件建立构架的有限元模型，并利用RADIOSS求解器软件求解构架在几种典型的工况下的应力，计算出关键点的应力幅和平均应力，根据材料的Goodman图，完成了构架的疲劳分析。

2 构架的有限元模型

转向架构架为全封闭焊接结构，主要由2个侧梁和2个横梁组成，构架侧梁整体呈U形的箱型焊接结构，构架两端的下侧设有橡胶弹簧安装座，中央上部设有空气弹簧安装座。构架的横梁也采用封闭的箱型焊接结构，横梁的外侧斜对称位置设置电机吊座和齿轮箱吊座，下侧的斜对称位置设有牵引拉杆座，两个横梁之间设有横向止档座。横梁和测量内部还设有多块筋板，以加强构架的强度。

利用HyperMesh软件建立的构架的有限元模型如图1所示，有限元建模过程中按照构架的实际结构进行离散，除电机吊座和齿轮箱吊座用实体单元外，其余结构全部用板单元离散。考虑电机惯性对构架强度的影响，在电机质心处建立一个节点，用刚性单元将该节点与电机吊座连接。共离散出24454个节点，23553个单元，其中实体单元5136个，板单元18417个。

3 载荷计算及工况

构架的运营静载荷计算参数如表1所示：

3.1 主要运营工况载荷

3.1.1 垂向载荷

按照UIC615-4标准，主要运营工况的垂向载荷为：

垂向载荷作用在侧梁的空气弹簧安装座上。

3.1.2 横向载荷

根据 UIC 615 4 标准，构架的横向载荷为：

横向载荷作用在横向止档座上。

3.1.3 扭曲载荷

扭曲载荷模拟线路扭曲情况下转向架构架的翘曲，作用于一系弹簧安装座处，且一个对角方向向上，另一个对角方向向下，根据文献[2],构架的扭曲载荷大小为：

3.2 主要组合计算工况

考虑车体浮沉振动引起的垂向力的变化，取垂向力百分比β = 0.2，考虑车体侧滚引起的垂向力的变化，取垂向力百分比α = 0.1，根据 UIC 615 4 标准，主要运营工况的组合工况如表 2 所示：

4 疲劳强度计算结果及分析

国际铁路联盟UIC的研究组织推荐使用Goodman疲劳强度曲线图法评估构架的疲劳强度。该方法的评定原则是构架上各节点的的应力幅和平均应力在线图的规定范围内。应力幅和平均应力的计算公式为：

采用RADIOSS求解器构架在上述13种工况下的的应力分布。根据构架的结构特点，选择应力较大及易发生疲劳裂纹的5个点为疲劳强度评估采样点：第1点为侧梁与横梁交界处上盖板，第2点为侧梁与横梁交界处下盖板，第3点为齿轮箱吊座与横梁交界左上角，第4点为齿轮箱吊座与横梁交界右下角，第5点为电机吊座上盖板左角。各采样点疲劳强度应力计算结果如表3所示：

构架的材料为低合金高强度钢，取屈服极限为360Mpa，疲劳强度为240Mpa，采用HyperGraph软件绘制得到的材料的Goodman图及采样点的平均应力和应力幅的结果如图2所示：

由图2可知，各采样点的应力范围均在Goodman疲劳极限范围内，表明该构架满足疲劳强度要求。

5 结束语

用HyperMesh软件建立了构架的有限元模型，并按照UIC615-4标准对构架加载主要运营工况下的载荷，然后用RADIOSS软件求解各工况下构架的应力，并计算了各关键点的应力幅和平均应力。根据材料的性能参数用HyperGraph软件绘制了材料的Goodman疲劳极限图和采样点的平均应力和应力幅的关系。通过Goodman图得出构架疲劳强度合格的结论。

6.参考文献：
[1] 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].铁道机车车辆人.2011(2),23.
[2] 张斌瑜，赵洪伦.基于有限元分析的地铁车转向架构架优化设计[J].计算机辅助工程.2011,20(2),82-85.
[3] 张锁怀，李永春，孙军帅.地铁车辆转向架构架有限元强度计算与分析[J].机械设计与制造.2009,（1）,45-47.