基于ANSYS的工艺转向架支撑横梁的强度分析

戴 俊

（唐山学院 机电工程系，河北 唐山063000）

0 引言

动车工艺转向架是专门为动车组设计的车体支撑、牵引移动的专用设备。其作用是在车体与转向架分离后，支撑动车车体，使车体能够在检修库内进行移动和换库，顺利进行动车的检验和维修［1］。

工艺转向架的工作平台采用了固定两纵一横三梁式结构，支撑横梁上部安装支撑装置、纵梁下部安装轴箱轮对。支撑装置为支撑车体的主体机构（如图1所示），支撑装置除了完成车体支撑功外，还兼任车体转道、过道岔及弯道的功能。整个支撑装置是安装在支撑横梁上的，为了更好地分析支撑横梁在工作中的受力与变形情况，本文以动车工艺转向架支撑横梁为研究对象，对其强度进行有限元计算分析。

1 横梁模型

1.1 建立横梁有限元计算模型

横梁有限元分析采用ANSYS软件进行，模型是在SOLIDWORKS三维设计模型基础上，通过重新建模和局部简化，由计算机自动离散，然后加载荷约束进行有限元计算。对受力复杂的部位由人工干预，使离散模型更加精细，计算结果合理可靠［2－4］。

基于横梁的结构特点，将其离散成实体类单元。有限元网格采用 ANSYS Workbench网格划分技术，采用SOLID186单元（20节点六面体单元）和SOLID187单元（10节点四面体单元），构架共离散成181 869个节点，单元共计52 228个。横梁设计方案三维模型见图2，离散后有限元模型见图3。

图1 工艺转向架支撑装置

1.2 横梁有限元计算载荷

参照《动力转向架强度试验方法》（TB／T2368－2005），横梁在强度计算时须计算垂向载荷、横向载荷，为更全面地分析横梁受力工况，计算还考虑了斜对称载荷［5］。

横梁的有限元计算载荷为

载荷以面力的形式作用在横梁的四个支撑面上，且每个支撑面上的载荷大小为

考虑浮沉系数β＝0.02时，横梁上每个支撑面上的载荷大小为

图2 横梁设计方案三维模型

图3 横梁有限元模型

1.3 横梁有限元计算工况

计算横梁运营载荷工况所采用2种组合工况，如表1所示。

表1 横梁运营主要载荷工况载荷组合表 kN

图4 工况1横梁应力云图

图5 工况1横梁的位移图

图6 工况2横梁应力云图

2 横梁许用应力的计算

材料的许用应力用材料的屈服极限σs与安全系数S的商计算［5］。本设计横梁主要选用普通碳钢（Q235）焊接结构，该材质的屈服极限为235MPa。

TB／T1335－1996中规定，当构件受力复杂时，需计算当量应力（Von Mises应力），此应力不得超过许用应力［5－6］。本计算所有应力结果均采用当量应力表示。当量应力的计算公式：

式中：σe为当量应力／MPa；σi为主应力（i＝1，2，3）／MPa。

TB／T1335－1996中规定，对无焊缝区，最大可能载荷或超常载荷下的许用应力为材料的屈服极限，在运用载荷下许用应力为材料的屈服极限除以1.5倍的安全系数。对焊缝区，最大可能载荷或超常载荷下的许用应力为材料的屈服极限除以1.1倍的安全系数，在运用载荷下许用应力为材料的屈服极限除以1.65倍的安全系数［4－5］。

本次计算，各工况下最大的当量应力不能超过运营条件下材料的许用应力142MPa。

3 横梁强度的计算

图4－图7所示为横梁运营载荷工况最大当量应力的计算结果。第1工况下最大应力59.414MPa，最大位移1.049mm；第2工况下最大应力71.297MPa，最大位移1.259mm。

图7 工况2横梁的位移图

通过对动车工艺转向架横梁的强度分析，可以得到以下结论：

（1）在TB／T2368－2005所规定的计算工况中，横梁运营工况下最大当量应力为71.297MPa，未超出在运营工况下Q235钢许用应力142MPa的标准，横梁的强度满足要求。

（2）横梁在静载荷作用下，最大位移为1.259mm，从横梁有限元模型的刚度计算结果来看，横梁刚度足够。

［1］ 宋向辉，王红，商跃进.动车转向架构架强度分析［J］.机械研究与应用，2012（1）：1－3.

［2］ 沈宜.可调整工艺转向架托梁的应用［J］.铁道机车车辆工人，2011（1）：4－6.

［3］ 李涛.自导向径向转向架构架技术设计［J］.电力机车与城轨车辆，2003（26）：25－27.

［4］ 罗华军，陈喜红，陶功安，等.ZMA100型转向架构架的结构特点和强度研究［J］.电力机车与城轨车辆，2014（1）：10－14.

［5］ TB／T1335－1996［S］.铁道车辆强度设计及实验鉴定规范.

［6］ 兰清群，王伟，李锐.轨检车转向架构架强度试验及疲劳评估［J］.现代制造工程，2011（2）：61－64.