统型窄轨客车转向架构架结构强度仿真分析及优化

张 明，米莉艳，智鹏鹏

（1.中国中车唐山机车车辆有限公司技术研究中心，河北唐山063500；2.大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028）

0 引言

作为客车车辆最重要的组成部件，转向架构架的结构性能是否满足标准要求，将会直接影响车辆的运行性能以及行车安全[1-3]。构架最主要的作用是承载，此外，构架又是其他转向架零部件的安装基础[4]。随着我国铁路车辆的提速以及复杂多变的线路条件对转向架构架提出了更高的要求，所以针对现有转向架构架的强度分析和优化显得尤为重要。许多学者在此方面做了大量的研究：宋庆伟[5]等针对地铁车辆转向架构架进行了结构优化分析，使得优化后的构架满足正常使用寿命要求；李国栋[6]等研究了在典型运行状态下，车辆转向架构架的模态，并确定了构架刚度设计提供了准则；智鹏鹏[7]等利用基于6σ的非概率可靠性分析方法，为小样本空间的构架可靠性分析提供了新的方法；日本学者八木毅[8]进行了构架焊接接头结构的数值分析和疲劳试验，实现了对于焊接接头结构的强度分析的精准化并研究了新的强度评价方法。

本文在现有的统型窄轨客转向架构架的基础上，为满足窄轨客车转向架的市场需求而进行优化分析。根据《UIC 515-4》以及《EN 13749》标准确定构架的载荷来源，并计算出相应部位的准确载荷，主要分为超常运营载荷和正常运营载荷。根据分析结果，参照标准对构架的两种强度进行评估。结果显示原有的构架结构并不能满足静强度以及疲劳强度的使用要求。因此在原有结构基础上进行优化，得到新的构架结构，最终分析结果显示优化后的构架结构满足静强度与疲劳强度的使用要求。该优化分析方法可以为窄轨客车转向架构架的后期优化工作提供理论依据和指导。

1 转向架构架结构简介及有限元分析

1.1 有限元模型的建立

本文所研究的统型窄轨客车转向架构架为“目”字形结构，主要由摇枕吊座、横梁、纵向止挡座、端梁、闸瓦托吊座、侧梁、横向止挡座等部件组成。各零部件采用耐候结构钢板焊接而成，几何模型如图1所示。

图1 转向架构架结构示意图

综合考虑构架整体计算精度及计算工作量，并根据构架的实际组成情况，划分网格之后的有限元模型由164 894个单元，165 048个节点组成。其中，螺栓连接采用Rbe3单元模拟，螺栓采用Beam188单元模拟，在弹簧连接处采用Spring单元模拟。构架的有限元模型如图2所示，表1给出了构架材料的主要参数[9]。

超常运营载荷主要考虑转向架的纵向、垂向和横向三种方向的载荷以及扭转载荷的组合工况，本文主要添加了六种超常运营载荷工况，具体载荷数据如表2所示。

图2 转向架构架的有限元模型

表1 转向架构架的材料属性

表2 超常运营载荷工况列表

正常运营载荷主要考虑到转向架在实际运行过程中可能会承受较复杂的载荷，除了上述所说的三种载荷之外，还包括齿轮箱吊座和电机吊座的惯性载荷以及制动载荷等[10-12]。基于对实际工况的考虑，本文添加了主要的八种构架正常运营载荷工况，具体载荷数据如表3所示。

表3 正常运营工况列表

将上述两种工况按照标准分别施加于构架有限元模型之后导入ANSYS中进行分析，且后处理得到等效应力分布云图。

1.3 仿真分析结果

构架在超常运营载荷工况作用下的等效应力云图如图3所示。从图中可以得出构架所受的最大等效应力值为423.9 MPa，最大应力点出现在侧梁变截面区域，该等效应力值大于其所用材料的许用应力值355 MPa，产生应力集中现象，因此可知该构架不满足构架静强度设计要求。

构架在正常运营载荷作用下进行分析之后，利用Goodman-Smith钢材疲劳极限图[13]，对构架每条焊缝进行疲劳评估，只有当所有焊缝处的节点应力值被包含在疲劳极限图内时，构架才能满足疲劳强度要求，反之，则不满足疲劳极限要求。该构架的疲劳极限图如图4所示，图中显示构架变截面区域焊缝落在图外，所以不满足疲劳设计要求。

图3 超常工况作用下应力云图

图4 正常运营工况作用下疲劳极限图

2 优化设计方案及仿真分析

根据以上分析结果可知，现有的转向架构架结构设计强度不够，需要将现有构架结构进行重新设计。在原构架的结构基础上，针对不满足静强度和疲劳强度使用要求的地方进行优化，提出新的结构方案，并对新的结构进行有限元分析，以检验新结构是否满足强度要求[14]。

为了保证转向架构架在超常运营载荷的作用下满足设计要求，对构架结构中的侧梁进行改进，采用新型的结构替代原侧梁。新的侧梁结构的上、下板的折弯角度增大，且侧梁的折弯处（摇枕下方）的界面高度由原来的140 mm变更为180 mm。新的构架结构的载荷与加载方式与原结构一样，最终分析结果应力云图如图5所示，表4给出了各个工况作用下构架所受的力的值。最终分析结果显示构架所受的最大等效应力为251.3MPa，出现在侧梁变截面处，小于材料的屈服强度355MPa，符合强度设计要求。

图5 新方案在超常运营载荷工况作用下应力云图

表4 新方案构架所受的最大等效应力值

将优化后的构架结构主要焊缝处的应力值从应力云图中提取出来，绘制于Goodman-smith疲劳极限图中，焊缝的所有应力点均落在疲劳极限图内，满足疲劳强度要求，构架具体的疲劳极限图如图6-图9所示。

图6 新方案构架变截面处焊缝疲劳极限图

图7 新方案构架变截面处焊缝疲劳极限图

图8 新方案构架电机吊座焊缝疲劳极限图

图9 新方案构架托梁吊座焊缝疲劳极限图

3 结语

通过对初始方案的仿真结果分析，提出新的设计方案，并再次进行仿真验证，将两次分析结果进行对比，可以得到：

①优化前的构架最大应力值为423.9 MPa，大于材料S355J2W（H）的屈服强度355 MPa，不满足使用要求，优化后构架结构的最大应力值为251.3 MPa，小于材料屈服强度，满足静强度使用要求；

②优化之前的构架关键焊缝处不满足Goodman曲线疲劳评估，优化后的构架结构的动应力幅值完全在Goodman疲劳曲线范围内，满足疲劳强度要求；

③对比结果表明，本优化方法在统型窄轨客车转向架构架优化分析中完全可行，且该优化分析结果可以为统型窄轨客车转向架生产以及后期的结构优化提供可靠的理论依据和指导。