Ansys软件在转向架侧梁动应力试验中的应用

孙晓云

摘要：进入21世纪，我国的城市轨道交通方兴未艾。为保证拥有一个有效、快速，便捷的交通，轨道交通作为主要的趋向已开始平凡的出现在我们的生活中。转向架作为一个重要部件被用来承载车辆，提供牵引力（动力转向架）、减震以及车辆的导向。由于车辆在运行过程中会遇到不同的路况，因此转向架的性能对于车辆在运行过程中的平稳性、安全性都有一定的影响。

本论文所展开的研究就是尝试运用数值仿真技术软件Ansys，对目前客车采用的209P型转向架的侧梁进行动应力仿真，得出理论应力最大点，为后续试验提供一定数据。

关键词：Ansys;转向架;侧梁;应力

第一章 绪论

1.1转向架侧梁动应力分析意义

转向架作为车辆的重要组成部分，其结构强度是否满足设计要求，是关系到货物运输安全的重要因素之一。而构架或侧架是转向架的基础，把转向架各零、部件组成一个整体，所以它不仅仅承受、传递各种作用力和载荷，而且它的结构、形状、和尺寸大小都应满足各零、部件的结构、形状及组装的要求（如应满足制动装置、弹簧减震装置、轴向定位装置等安装的要求）。所以对于转向架侧梁的动应力分析尤为重要。

1.2转向架侧梁动应力分析方法

转向架侧梁的动应力^[1]的分析实际试验过程中，对于应力检测点位置选择合理与否，将直接关系到转向架侧梁动应力的测试数据是否准确可信，其对评价被测转向架侧梁结构强度是否合格至关重要。本试验就是利用数值仿真技术软件Ansys软件对转向架的侧梁进行模型建立，并对其加载，找出应力最大点，然后在该点进行贴片测试。

209P转向架构架侧梁是由多个铸钢板焊接而成，因此在模型建立时采用板壳单元，由下而上的建模顺序。根据转向架侧梁结构的对称性，为减小工作量，选择整体结构的1/4建立几何模型，后利用Ansys软件的优势对其施加对称约束，最后显示出整个转向架侧梁的结构，然后进行分析求解。

第二章 Ansys简介

2.1Ansys发展过程

Ansys公司成立于1970年，总部在美国宾夕法尼亚的匹兹堡，是目前世界CAE（Computer-aided Engineering，即计算机辅助工程）行业最大的公司。Ansys公司自1996年2月开始在中国推广其有限元分析软件。Ansys软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。是现代产品设计中的高级CAE工具之一。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统等。

2.2Ansys软件的分析步骤

1、创建有限元模型^[2-3]。2、施加荷載进行求解。3、察看分析结果。

2.3Ansys模块化结构

软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

第三章 转向架侧梁的模型建立与结果分析

3.1 创建几何模型

第一步：指定工作文件名和工作标题;第二步：定义单元类型;第三步：定义材料性能参数;第四步：模型建立。

本次建模采用自底向上的方式进行实体建模，从最低级的图元向上构造模型，即：首先定义关键点，然后依次由点连成线，由线连成面，由面形成体

3.2划分网格

由于侧梁各板厚度不同，所以在划分网格之前需要建立两个板厚。在Preprocessor à Add/Edit/Delete中选择Add 添加两个新的单元类型，在对话框中输入板的厚度。

划分网格：Preprocessor  Meshing à Default Attribs选择划分网格的材料实常数，在这里先对侧梁下板进行划分网格，然后Meshing à Mesh Tool在对话框中点击mesh 然后对要划分网格的面进行选择，单击“OK”。

Preprocessor à Meshing à Default Attribs à real constant set number 中选择1，重复上述步骤，对其余面进行网格划分。

3.3加载求解

施加载荷之前先对该侧梁施加位移约束和对称约束，侧梁的1/4结构中，受力部分主要有两处，一处为通过一系弹簧的传递将车轮与钢轨之间的作用力传递到侧梁上，方向竖直向上，另一处为通过心盘、横梁的传递，承受车体载荷的力，方向竖直向下。

利用Ansys软件在对结构加载求解时，主要是为了观察最大应力的位置，所以只需要满足两处加载的力的大小是相同的即可，而不需要加载具体车体、转向架等各零、部件的质量。

3.4计算及结果分析

3.4.1求解

为方便看转向架侧梁的应力分布图，利用Ansys软件中的对称约束，显示整个转向架侧梁结构。

3.4.2结果显示

根据第四强度理论，选择显示第四强度理论的相当应力，即Von Mises应力。

GUI：Main Menu：General Postproc → Plot Results Contour Plot → Nodal Solve → Stress → Von Mises Stress → OK，结果见图1所示。

3.4.3结果分析

通过对图1中Von Mises 应力的分布图可以看出，转向架中间部位相对两边而言弯曲变形较大。图2中侧梁的3个点处的应力比较大，进行试验时可以选择该三点进行贴片测试。

第四章 结论

在科技发达的今天，利用软件对各构件进行仿真建模，可以准确的得到想要的数据。转向架侧梁的动应力的分析实际试验过程中，对于应力检测点位置选择合理与否，将直接关系到转向架侧梁动应力的测试数据是否准确可信，其对评价被测转向架侧梁结构强度是否合格至关重要。本论文，通过数值仿真技术软件Ansys软件，对209P转向架侧梁进行建模分析，找出了侧梁Von Mises应力的最大点，为后续对转向架的各种试验提供了有力的数据支持。

参考文献：

[1]  姜瑞金，谢基龙.转K5型转向架弹簧托板疲劳试验方法研究[J].铁道机车车辆，2011，06，52-54.

（作者单位：沈阳职业技术学院）