某型转向架端梁结构强度仿真分析

某型转向架端梁结构强度仿真分析

李 超，薛冉，关风龙

中车唐山机车车辆有限公司     河北唐山   063035

摘要：本文基于EN 13749:2021标准，对公司新研制的某型转向架端梁结构进行有限元分析。首先，利用HyperMesh软件对端梁三维模型进行离散化处理。其次，在超常载荷工况和正常运营载荷工况下，利用ANSYS软件对构架进行有限元分析。仿真分析表明：该型转向架端梁能够满足相关标准要求。

关键词：转向架端梁离散化处理仿真分析

1. 引言

近年来，城市轨道交通建设进入快速发展阶段，对列车安全性、舒适性要求越来越高。中车唐山公司积极响应，坚持技术创新，全面提升经营品质，针对不同城市、不同线路条件开发出多种轨道交通产品以满足客户多元化需求。而转向架作为轨道交通车辆的关键部件之一，其性能好坏直接影响列车的运营安全和曲线通过性能[1]。本文依据EN 13749：2021标准[2]，对公司最新研制的城轨转向架端梁进行有限元仿真分析，验证其结构静强度及疲劳强度是否满足标准要求，验证其在实际线路运营中的安全性及可靠性。

2. 端梁有限元分析
   1. 端梁结构

转向架端梁装置为焊接结构，主要由连接座、管梁、天线安装座、扫石器安装座等部件组成。端梁结构如图1所示，材料的基本力学性能见表1。

图1 端梁结构示意图

表1 材料的基本力学性能（MPa）

2.2标准及评判方法

根据EN 13749:2021确定端梁在各工况下的载荷，主要分为超常工况和正常运营工况。超常载荷工况考察端梁在对应载荷的作用下，母材及焊缝上各点应力不得超过对应材料的许用应力值；正常运营载荷工况考察构架在对应载荷的作用下，材料利用率K[3]值小于1，K值由下式计算确定：

(1)

式中，Stressallowable根据材料的Goodman-Smith曲线确定。

2.3有限元模型建立

利用HyperMesh软件对端梁三维模型进行离散化网格划分，实体单元采用带有中间节点的实体单元solid187，壳单元类型采用shell 281单元。建立端梁有限元模型时，螺栓采用Beam188模拟，天线接收设备用质量点Mass21模拟，橡胶节点用弹性单元Combin14模拟。为更加反映端梁受力状态，建立构架有限元模型，构架单元类型采用solid185实体单元，并在一系安装座施加约束。端梁有限元模型如下图2所示。

图2 端梁有限元模型

2.4超常工况分析结果

通过ANSYS软件对端梁有限元模型进行超常工况下的仿真计算，得到各个工况下计算结果。从结果可知，端梁结构最大当量应力为275.8MPa，位于端梁端部上盖板与立板焊缝处，小于其材料焊缝的许用应力322MPa，如图3所示，端梁结构满足静强度要求。

图3端梁整体应力云图

2.5正常运营工况分析结果

对端梁有限元模型进行正常运营载荷工况下的仿真计算，得到端梁母材及焊缝的疲劳分析结果，其中焊缝处材料的利用率最大值为0.82，母材处材料的利用率最大值为0.78，如下图4～图5，均小于1，且母材与焊缝疲劳打点均落在Goodman-Smith曲线内，如下图6～图7，端梁结构满足疲劳强度要求。

图4 端梁母材材料利用率图

图5 端梁母材Goodman-Smith曲线图

图6 端梁焊缝材料利用率图

图7 端梁焊缝Goodman-Smith曲线图

2.6刚度分析

通过对端梁结构进行约束状态下的模态分析，端梁结构1阶垂向弯曲振型频率为37.2Hz，如图8所示。

图8 端梁模态振型图

3. 结论

本文依据EN13749:2021标准，基于HyperMesh软件对公司新研制的转向架端梁结构进行离散化处理，在超常工况和正常运营工况作用下，利用ANSYS软件进行有限元分析计算，结果显示：该型转向架端梁强度能够满足车辆正常运营要求。

参考文献：

[1]严隽耄.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[2]EN 13749.Railway applications - Wheelsets and bogies - Method of specifying the structural requirements of bogie frames[S]. 2021.

[3] 孙晖东，高晓霞，高峰，等.地铁转向架摇枕抗疲劳设计方法研究[J].机车电传动，2018.