基于SolidWorks的CRH2轮轴过盈装配有限元分析

谢红太，谭春梅，武振锋

(1.兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.哈尔滨铁道职业技术学院 城市轨道交通学院，黑龙江 哈尔滨 150069)

基于SolidWorks的CRH2轮轴过盈装配有限元分析

谢红太1，谭春梅2，武振锋2

(1.兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.哈尔滨铁道职业技术学院 城市轨道交通学院，黑龙江 哈尔滨 150069)

利用SolidWorks软件模拟出高速动车组CRH2T轮对过盈配合的有限元模型，对轮轴压装完成后的轮座轮毂孔表面接触应力进行仿真分析，通过创建几何线提取探测点的方式研究了过盈压装后轮毂孔内表面上的接触应力的曲线变化情况及分布规律.结果表明接触表面接触应力从中间纵截面沿轴向相反方向呈凹二次抛物线变化，以致左右两端点出现差值为Δ的两应力极点.基于SolidWorks Simulation的有限元分析对目前难以计算实验仿真的轮轴过盈分析提出了一种新的较为可靠的仿真计算方法.

SolidWorks；CRH2轮对；过盈配合；有限元分析

0 引言

轮对承受着列车的全部载荷，并在重负载条件下沿轨道高速运转，是由两个同类型和同材质的车轮与一根车轴按规定压力和规定尺寸紧压配合组装成的一个整体，车轮与车轴通过过盈关系联接[1-3]，本文研究的轮座轮毂孔表面接触应力，是通过专用轮对压装机将高速动车组列车CRH2拖车车轮车轴压装完成后的T轮对为基础的.

目前，国内基于有限元软件对车辆轮对压装过程及压力曲线做了大量研究分析，但在轮对压装后的轮座轮毂孔表面接触应力方面的研究相对较少.由于过盈配合的两个接触面上无法粘贴应变片，目前使用较广的冷装法难以对其压力状态进行跟踪测定，压装后的轮对质量只能根据铁标中规定的压装曲线进行判定，而压装曲线是长期实践经验的积累.本文利用SolidWorks公司开发的有限元分析软件Simulation模拟出CRH2T轮对的有限元模型[4-5]，分析了压装后轮座轮毂孔接触应力大小及分布规律.

1 SolidWorks Simulation结构有限元分析过程简介

有限元法是一种有限的单元离散某连续体然后进行求解的一种数值计算的近似方法. Simulation分析工具目前销量较高，作为计算机嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成，能够提供大量的计算与分析工具来对较为复杂的零件及装配体进行模拟计算，测试和仿真分析.其主要功能模块有结构计算与应力分析、应变计算分析、产品的优化设计、流体模拟仿真、线性与非线性分析等.本文利用Simulation模块中的冷缩配合机制对轮对的过盈配合内部接触部进行应力应变分析.

2 车轮车轴接触应力有限元分析

2.1建立轮对模型

有限元分析过程中，网格划分的越密，几何模型越复杂，细小件越繁多，则计算机处理越慢，甚至无法计算.相反，减小网格数量则难以保证模拟计算的可靠性和准确性. 在此为了提高工作及计算机计算效率，又在保证不影响有限元分析计算结果的条件下，对上述轮对的三维模型做简化处理，本文所研究的是轮毂孔及轮座压装后的接触应力大小及分布规律，故只引入一个车轮即可，又因为车轴关于中截面左右对称且存在多处圆角，故可将其简化为单轮半车轴模型.

2.2创建有限元模型

(1)创建算例：通过对简化后的轮对三维模型进行完整的参数定义，实现该算例的建立，包括添加模拟约束、设定产品材料属性、 模拟增设外载荷、有限网格划分及分析类型确定.

(2)定义材料属性：在新算例运行之前，需要设定所需的产品模型材质，在此根据JIS E4501和JIS E4502标准在SolidWorks Simulation分别设定车轮车轴的材料为碳素钢，其属性参数见表1.

表1 碳素钢属性表

(3)设定约束：对简化后的模型车轴中间部分由于左右力及力矩的平衡抵消，在忽略其他因素的干扰下，在此可看做车轴中截面的固定，增设固定几何体约束.由于本文所研究的是轮毂孔与轮座接触面上的应力分布，故对轮对进行约束定义时，可选择几乎不影响接触应力及微小变形的轮缘内侧面为固定几何体，如图1所示.

图1 轮对约束及网格划分

(4)划分网格：在SolidWorks Simulation中采用自动化程度最高的网格划分技术之一的自由网格划分技术，对简化后的轮对模型进行网格划分，如图1所示.

(5)施加外载荷：对轮对的压装模拟可利用Simulation外部载荷模块中的静应力分析进行仿真，设定轮毂空内圆柱面与轮座外圆柱面的相接触面组为冷缩配合方式.

(6)运行算例.

2.3计算结果及分析

2.3.1 计算结果等效应力云图

在上述准备工作的基础上，进行轮对简化模型的有限元新算例运行，得到其应力应变分布图，如图2所示，从中不难看出压装后的车轮车轴在两接触面上的应力应变最大，即σmax=1 994MPa，Smax=0.006 87 mm.

(a) 应力图解

(b) 应变图解

2.3.2 接触面节点应力的选取

SolidWorks Simulation除了可以以图解的形式表达有限元的结果外，还可以将结果以数值的形式表示.为了直观的看清车轮轮毂孔与车轴轮座接触表面的应力分布规律，在此首先在SolidWorks三维模型中，于车轮的轮毂孔内表面上分割出一条几何直线，此直线平行于车轮轴线.然后导入到有限元分析模块Simulation中，对此直线所在的节利用探测工具进行等比例举例探测，从左到右依次选取位于同一直线上不同节点上的9个等比例点，即样点1到样点9，如图3所示.

图3 分割线及样点的创建

分别将探测选取的9个样点所在节对应的接触应力及样点在模型中对应的空间坐标等参数提取出来，见表2.

表2 提取样点的参数表

2.3.3 轴向接触应力分布规律的分析及讨论

针对上述探测的位于所建分割几何线的顺次等比例提取的9个采样点，利用SolidWorks Simulation中的报告选项图解，可对样点所处节的轮轴接触节应力进行如图4所示的应力-相对位移曲线的绘制.

由图4可知，随着对所建分割几何线上顺次等比例选取的9个采样点应力分布来看，整个几何线上的接触应力呈凹二次抛物线规律变化，即CRH2T轮对车轮轮毂孔内圆柱面与车轴轮座的外圆柱面的接触应力在中间纵截面上最小，依次沿轴向两方向逐渐增大，当到达所建几何线的两端点时，接触应力值达到最大.从中可看出样点1与样点9所达到的最大值二者存在一定的差值Δ，这是因为根据相关铁道装配标准所规定的，CRH2车轮采用左右两侧对称的直辐板车轮，当CRH2车轮的轮毂孔过盈安装于车轴的轮座上时在轮座的左右两侧所留有的余量ε不同而造成的.采样点1的接触应力σ1=1 983 MPa，采样点9的接触应力，σ9=1 970 MPa即σ1gt;σ9，采样点1所在侧的余量ε0大于采样点9所在侧的余量ε1.

图4 分割线上节应力分布

在所有铁道车辆轮对的工业生产装配中可根据凹二次抛物线左右两极点的接触应力模拟，指导选择可承担一定接触应力极限的左右轮座余量，也可从车轮方面考虑车轮辐板的形状及与轮毂的相对位置方面协调设计.

从上述所创建的平行于轮对轴线且处于轮毂孔内表面上的分割线上的接触应力分布情况可知，在垂直于该线且过其上任一点的平面与车轮轮毂孔内表面所处圆柱面的交线圆上的接触应力过圆心大小相等的力.

3 结论

(1)对轮对压装完成后的轮轴内部难以计算的接触应力，运用了SolidWorks Simulation中的冷缩配合的有限元分析机制进行了轮轴过盈应力数值模拟计算;

(2)合理并有效的简化了轮对有限元分析模型，此方法为快速准确的完成铁道车辆的轮对压装内应力分析提供了强有力的工具.此外，在有限元分析过程中，为了更准确直观的反应接触应力的分布规律，应特别注意分割几何线的创建及样点的提取;

(3)通过对CRH2T轮对车轮轮毂孔内表面与车轴轮座外圆柱面压装完成后的接触应力有限元分析可知，接触表面接触应力从中间纵截面沿轴向相反方向呈凹二次抛物线变化，以及对左右两应力极点的分析，可在当前我国高速铁路技术大发展的背景下，提供一个可靠的轮对压装接触应力分析方法与工业装配制造参考技术.

致谢：感谢兰州交通大学战略规划与改革发展研究项目(FZGH201608)对本文的资助.

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FiniteElementAnalysisofInterferenceFitAssemblyofCRH2AxleandWheelbasedonSolidWorks

XIE Hongtai1, TAN Chunmei2, WU Zhenfeng1

(1.School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2.School of Urban Rail Transit, Harbin Railway Technical College, Harbin 150069, China)

SolidWorks software is used to simulate the CRH2 T high speed EMU wheel set finite element analysis model, and the contact stress of the surface of the wheel hub bore and wheel seat after the installation of wheel axle is analyzed by simulation. By creating geometry line extraction and detection point, the variation and distribution of the contact stress are studied on the inner surface of the hub bore after the interference fit. The results show that the contact stress between the longitudinal section along the axial direction is opposite change with two parabolic surface contact, so that a value of Δ appears around two endpoints with two stress maximums. Based on SolidWorks simulation of finite element analysis, a reliable simulation method is proposed for the analysis of the wheel shaft interference which is difficult to calculated.

SolidWorks; CRH2wheel set; interference fit; finite element analysis

1673- 9590(2017)06- 0070- 04

2017- 03-18

甘肃省高等学校科研项目(2016A-021)

谢红太(1993-)，男，副教授，硕士研究生;

武振锋(1976-)，男，副教授，博士，主要从事三维CAD技术与应用的研究

E-mail1144212853@qq.com.

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