城市轨道交通工程车转向架构架结构优化设计

李宇航 吴斌方 张 贝 张 耀 袁 博

(1.湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068；2.武汉城市职业学院机电工程学院，湖北 武汉 430223)

0 引言

随着地铁、轻轨和有轨电车等城市轨道交通工具的快速发展，城市轨道交通工程车成了城市轨道交通运维不可或缺的装备。对于城市轨道交通工程车而言，构架作为转向架上各零部件的主要支撑件，承受和传递来自轨道和车体各个方向的载荷，对车辆的运行安全起着至关重要的作用[1]。现有工程车转向架由于构架和簧下质量大，导致轮轨作用力大，影响车辆的运行性能，因此，为了提高工程的作业效率，获得良好的动力学性能，保证车辆具有安全稳定的运行品质，以城市轨道交通工程车转向架构架为研究对象，对其结构进行轻量化优化设计，使得结构布置更加合理，材料使用更加充分。

1 构架的结构

城市轨道交通工程车转向架构架结构如图1所示。转向架构架由2个侧梁和1个横梁焊接组成[2]。侧梁采用钢板焊接围成的箱型梁结构，以提高侧梁的承载能力；横梁采用直钢板箱型梁焊接结构，两边斜对称分布齿轮箱拉臂座。

图1 城市轨道交通工程车转向架构架

2 构架结构分析

2.1 有限元模型建立

根据转向架构架的二维图纸在三维建模软件SolidWorks中建立构架的三维模型并对其模型进行简化。简化过程中去掉了垂向液压减振器座和连接环，填补倒角。将模型保存为.x-t格式，然后导入有限元分析软件中建立有限元模型。

构架的有限元模型中形状规则的零件采用六面体网格划分，不规则的零件采用四面体网格划分[2～3]。将模型离散为46710个单元，204398个节点，如图2所示。

图2 构架有限元模型

2.2 材料属性

由于构架主要由Q345B钢板焊接而成，此材料的参数属性为：弹性模量2.10×1011Pa，泊松比0.274，材料密度7860kg/m3，许用应力313MPa。

2.3 约束条件

构架承受来自车体和轨道各项载荷都要经过一系悬挂橡胶弹簧的衰减作用，因此在构架的弹簧座板处所对应X、Y、Z 3个方向的面上添加弹性支撑来模拟真实弹簧变形[4～5]。弹性支撑的基础刚度值分别为0.044N/mm3、0.072N/mm3、0.34N/mm3。

2.4 有限元分析结果

转向架构架在转弯工况下应力云图如3所示，由应力云图可知，构架所承受的最大应力为199.14Mpa，远小于构架材料的许用应力313Mpa。转向架构架的质量为1075kg，对转向架构架进行轻量化优化设计。

图3 构架应力云图

3 构架轻量化设计

转向架的质量对车辆的动力学性能有着重要的影响，对构架进行轻量化设计，不仅能提高车辆运行平稳性，还可以提高车辆临界速度和增加通过曲线轨道的灵活性。转向架构架的优化设计一般可分为拓扑优化、形状优化、尺寸优化[6]，此次优化设计选用尺寸优化调整转向架构架的板厚达到对转向架构架进行轻量化设计。

3.1 构架优化数学模型

文中选取构架在转弯工况下的强度计算为基础，在有限元分析软件中选择直接优化的方式对转向架构架进行优化设计。由于构架是采用钢板焊接而成结构，因此选取板厚为设计变量，构架质量为目标函数，最大应力值为约束条件，得到构架优化设计的数学模型如式(1)所示。

式中，M(Xi)为构架质量；σmax为转弯工况的最大应力值；Xi为构架板厚。

(1)设计变量

本文选取构架侧梁的上盖板和立板，横梁的上下盖板和立板以及制动夹钳吊座的上下盖板和立板的板厚作为设计变量。为了保证优化后的构架具有足够的强度，以板厚的±10 %作为设计变量的上下限。具体尺寸如下：横梁上盖板16mm、横梁下盖板16mm、横梁立板10mm、侧梁上盖板16mm、侧梁立板10mm、制动夹钳吊座上盖板16mm、制动夹钳吊座下盖板20mm、制动夹钳吊座立板10mm。

(2)目标函数

对城市轨道交通工程车转向架构架进行尺寸优化的目的是在构架强度满足要求的前提下减小构架板材厚度，从而减小构架质量，达到轻量化设计的目的。

(3)约束条件

城市轨道交通工程车转向架构架优化后，构架侧梁、横梁和制动夹钳吊座的板厚减小，构架质量也会相应减少，从而增大了构架整体的应力水平。为了保证优化后构架的最大应力不超过材料的许用应力，选取载荷工况中应力最大的转弯工况为约束条件[6]。

3.2 构架优化结果

通过有限元分析软件对城市轨道交通工程车转向架构架进行尺寸优化计算，得到构架板厚的优化值具有多位有效数字，考虑到实际生产制造的需要，对优化结果进行调整。调整后参数如表1所示。

表1 构架优化前后设计变量值

优化结果表明：构架的质量从1075kg减少到1029kg，即构架质量减少了4.3%，实现了转向架构架的轻量化。

3.3 转向架构架强度校核

通过有限元分析软件的静强度计算模块对构架模型进行计算，可以得到构架在超常载荷工况下的整体应力分布情况和应力最大位置。因车辆在轨道上运行工况较多，文中只对凹、凸曲线轨道等2种超常载荷工况进行计算，应力应变如图所示。

从应力云图中可知，转向架在凹、凸曲线轨道上最大应力值分别为208.1MPa、207.92MPa，最大应力位置都在侧梁外侧立板圆弧过渡处，小于材料的许用应力313MPa，因此，优化后的转向架构架满足结构强度要求。

4 结语

利用有限元分析软件对工程车转向架构架进行优化设计，得到构架的质量为1029kg，相比构架初始质量减少了47kg，减重比例达4.3%；将优化后的构架模型进行静强度校核，得到凹、凸曲线轨道上超常载荷工况的最大应力值分别为208.1MPa、207.92MPa，相比优化前最大应力值有所增长，但仍然小于材料的许用应力313MPa，满足设计要求，且达到了转向架构架轻量化设计的目的。

图4 凸曲线轨道超常载荷工况

图5 凹曲线轨道超常载荷工况