1、Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文 集 1 基于 HyperMesh 的 机车 转向架构架静强度 及疲劳强度 分析 刘余龙 陈晓峰 卜旦霞 南车株洲电力机车有限公司 株洲 412001 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 0引言 转向架是机车的
2、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
3、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。 Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文 集 2 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
4、 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 序号 符号 描述 数值 单位 1 uP 轴重 25000 kg 2 vM 机车质量 100000 kg 3 bM 转向架质量 18000 kg 4 al 轴距 2600 mm 5 bn 每节机车转向架数量 2 - 6 en 每个转向架上轮对数量 2 - 7 dM 电机装配质量 2150 Kg 8 eM 电机额定扭矩 5894 N*m 9 tM 电机短路扭矩 40000 N*m 10 pzk 每轴
5、轴箱一系垂向刚度 910 N/mm 11 pyk 每轴轴箱一系横向刚度 5259 N/mm 12 pxk 每轴轴箱一系纵向刚度 33759 N/mm 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。 Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文 集 3 超常及运营载荷主要有： 超常 工况 垂向载荷 maxzF 、 模拟运营垂向载荷 zF ，作用于二
6、系簧座； 超常 工况 横向载荷 maxyF 、 模拟运营横向载荷 yF ， 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 zdjF ，作用 于 电机悬挂点； 电机额定转矩产生的的载荷 maxznF 、 znF ，作用于 电机悬挂点； 5轨道扭曲位移 5h ， 10轨道扭曲位移 10h ，作用于在一系簧； 构架承受转向架 3g冲击载荷 3cjF ，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 =0.1， =0.2。 表 2 工况组合 工况 作用于侧梁上的垂向载荷 横向 载荷 纵向 载荷 轨道扭曲 电机
7、悬挂点载 荷 左侧梁 右侧梁 1 Fz Fz 0 0 0 +Fzdj 2 (1+ - )Fz (1- - )Fz 0 Fx 0 + FzdjFzn 3 (1+ - )Fz (1- - )Fz FY -Fx 0 - FzdjFzn 4 (1+ + )Fz (1- + )Fz 0 Fx 0 + FzdjFzn 5 (1+ + )Fz (1- + )Fz FY -Fx 0 - FzdjFzn 6 (1- - )Fz (1+ - )Fz 0 -Fx 0 - FzdjFzn 7 (1- - )Fz (1+ - )Fz -FY Fx 0 + FzdjFzn 8 (1- + )Fz (1+ + )Fz 0
8、-Fx 0 - FzdjFzn 9 (1- + )Fz (1+ + )Fz -FY Fx 0 + FzdjdFzn 10 (1+ - )Fz (1- - )Fz FY -Fx 5扭曲 - FzdjFzn 11 (1- + )Fz (1+ + )Fz -FY Fx 5扭曲 + FzdjFzn 12 Fzmax Fzmax FYmax 0 0 0 13 Fz Fz 0 3g冲击 0 0 14 Fz Fz 0 0 0 +FzdjFznmax 15 Fzmax Fzmax FYmax 0 10扭曲 0 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 M
9、ises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Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文 集 4 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 工况 最大 von Mises应力 Top面 (Mp
10、a) Bot面 (Mpa) 超常工况 12 96.603 94.264 13 314.324 298.384 14 266.178 238.984 15 96.504 94.134 图 2 工况 12 TOP面应力分布云图 图 3 工况 12 BOT面应力分布云图 图 4 工况 13 TOP面应力分布云图 图 5 工况 13 BOT面应力分布云图 Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文 集 5 图 6 工况 14 TOP面应力分布云图 图 7 工况 14 BOT面应力分布云图 图 8 工况 15 TOP面应力分布云图 图 9 工况 15 BOT面应力分布云图 3.2 疲劳强
11、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 max，及最小 min，按下式计算各点平均应力及应力幅值： 2/)( m inm ax a ve 2/)( m inm ax 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。 r8勤彦。邪玎 ，一7，7。Z7，jj纱嵇”
12、一7。，17i力Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文 集 6 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
13、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. Static and Fatigue Strength Analysis of Locomotive Bogie Frame Liu Yulong Chen Xiaofeng Bu danxia Abstract： In this paper,the finite element model of a locomotive bogie frame is built by HyperMesh and the main load cases are applied on th
14、e model according to the international standard UIC 615-4.And then use the solver Interface to analysis the static and fatigue strength by CAE solver and completed the stress evaluation. Key words: HyperMesh Bogie Frame Static Strength Analysis Fatigue Strength Analysis 基于 HyperMesh 的机车转向架构架静强度及疲劳强度分析作者： 刘余龙， 陈晓峰， 卜旦霞作者单位： 南车株洲电力机车有限公司 株洲 412001本文链接：http:/
