CRH2型动车组转向架构架结构仿真分析及优化

徐祥书，李广军，钱佳林

（江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001）

0 引言

CRH2型动车组为动力分布式、交流传动的电力动车组。转向架构架是整个车组结构里面的关键组件，它支撑着车体车厢与乘客重量，转接呈递各部分载荷及作用力，近年来已有大量研究人员对高速列车的转向架构架进行了研究和分析［1］。陈道云等［2］以某型高速列车转向架构架为对象,研究了高速列车转向架构架载荷识别与分布特性。智鹏鹏等［3］运用APDL语言建立构架的参数化模型，以先进的方法对构架进行结构强度的可靠性分析，对设计参数的变化和结构强度进行研究。唐永明等［4］建立实体单元和壳、实体混合的构架有限元计算模型，按照强度试验载荷工况对构架进行了强度计算，并对比分析了强度试验结果与有限元计算结果的差异。王洪娇等［5］根据有限元分析理论及相关强度计算标准，建立构架计算模型,确定构架的载荷工况，将模型导入有限元分析软件ABAQUS中进行静强度分析。杜子学等［6］用hyper mesh建立地铁转向架构架的有限元模型，确定了在5种工况下构架的载荷及边界约束条件，对构架进行结构分析。张凯函等［7］针对西安地铁车辆转向架构架，采用ANSYS程序模拟计算了西安地铁转向架构架在超常载荷、特殊载荷、运营载荷工况下的最大应力值，并对构架各关键点的许用应力进行了评估。孔凡国等［8］针对广州地铁3号线动车模型，建立三维实体模型，对转向架部分通过有限元分析，进行了超常载荷、模拟运营载荷、模拟特殊运营载荷的计算和分析。王文静等［9］针对CRH2型动车组动车转向架焊接构架，进行了静强度和疲劳强度评估。上述文章都是以静强度分析为主进行转向架构架的分析与研究，为本文提供了仿真实验和实践操作的基础借鉴。王斌杰等［10］以实际运用环境下对构架载荷进行研究，从而提升了构架的疲劳可靠性。崔晓芳等［11］用焊接收缩力法和有限元分析软件对高速动力车转向架构架总成及各组成梁进行焊接变形预测。张锁怀等［12］计算了构架强度分析的主要载荷，考虑了辅助载荷对疲劳强度的影响，并对静强度进行了计算与评定，用Goodman疲劳强度极限图对疲劳强度进行了评定。战立超等［13］分析了高速动车组转向架的构架在不同运用工况下的疲劳强度。张明等［14］建立B型转向架构架的有限元模型，基于Workbench的优化设计模块，对优化设计后的构架进行结构强度分析。宋庆伟等［15］针对某项目转向架构架使用寿命无法满足运营要求的情况，通过线路动应力测试数据时域图和频域图的对比分析，提出优化结构方案。上述文章都是以疲劳强度为主对转向架构架进行了分析与研究，为本文的仿真研究和优化设计提供了思路。

上述相关研究多以转向架构架疲劳强度分析与研究为主，而针对不同材料在超载工况下的转向架构架的对比研究和优化设计相对较少。本文借助CATIA软件和ANSYS软件用碳素结构钢Q345R和铝合金2024，对CRH2型动车组列车上的SKMB-200型转向架构架在超载工况下的静强度进行对比研究，并对其进行优化设计。

1 转向架构架的力学分析

1.1 经中央弹簧传递的垂直载荷

CRH2型动车属于非心盘车辆。对于非心盘车辆，车体的载荷通过转向架两侧的中央弹簧或两侧轴承将载荷传递至转向架［16］，如图 1 所示。

图1 构架在垂直载荷作用下的受力情况

1.2 构架受力

构架在侧向力引起的附加垂直载荷作用下的受力情况如图2所示。与在垂直静载荷下的受力不同，图中处于曲线外侧的4个轴箱弹簧对构架的作用力向上，而内侧的则向下，每一弹簧作用力的数值等于。轴箱弹簧对构架的作用力系应由作用在构架摇动台吊杆销孔处的Pn力系平衡，即

图2 侧向力载荷作用下的受力情况

式（1）中，t为构架摇动台吊杆销孔间的横向水平距离，单位为m；b2为轮对两轴颈中心线间的水平距离，单位为m；Pf为弹簧的作用力，单位为N。

1.3 垂直斜对称载荷

垂直斜对称载荷是一组垂直作用在构架轴箱部位的自相平衡的力系，此力系对于构架的纵向和横向中心平面均呈反对称分布，如图3所示。

图3 垂直对称载荷情况

根据实践经验，通常把许多因素的综合影响看成转向架上某一车轮在轨道上升或下沉一个值，而其他因素均认为是正常的。经过分析和推导，得到垂直斜对称载荷（N）的计算公式为

式（2）中：K1为一个轴向弹簧的总刚度，单位为N/cm；K2为构架抵抗垂直斜对称载荷的刚度，单位为N/cm；b1为轮对两轴颈中心线之间的水平距离，单位为cm；b2为轮对两轴颈中心线间的水平距离，单位为cm。

2 构架模型结构及有限元分析

2.1 转向架构架的模型

2.1.1 构架的类型、连接以及尺寸

H型构架的结构简单、易于加工、方便检修、自身重力小，能够符合不同轨道车辆的设计要求。构架与车体通过空气弹簧连接，对列车运营的平稳性及舒适性起到关键作用；构架与轴箱通过圆锥橡胶弹簧连接，使得力最先作用于圆锥橡胶弹簧上，具体尺寸如表1所示。

表1 构架具体尺寸 单位：mm

2.1.2 构架结构

构架是转向架的总体骨架结构，通过焊接，将两个侧梁、两个连接梁、两个横梁和空气弹簧支撑座连接，焊接成H型，构架组成如图4所示。

图4 构架装配图

2.2 有限元分析流程

利用计算机三维人机交互软件CATIA建立模型，用ANSYS Workbench对构架是否合格进行验证，具体流程如图5所示。从图中可见，只需根据计算原理确定CATIA三维模型、准备原始数据和计算结果的整理和分析，其余的步骤都可以由计算机软件来完成。

图5 有限元结构分析流程图

（1）结合工程学原理，运用CATIA三维软件建立并分析车辆转向架构架的三维模型。

（2）利用ANSYS Workbench进行原始数据的输入和模型求解的定义。

（3）通过ANSYS Workbench进行结果的整理和判断，若评估合格，则设计完成，输出CATIA构架模型；否则，返回修改构架模型。

2.3 数据准备

2.3.1 材料信息

将CATIA中建立的地铁座椅模型导入ANSYS Workbench中，然后输入材料属性。本文对两种不同材料的转向架构架进行对比分析，在前期处理时输入相应材料的弹性模量和泊松比，其中铝合金与碳素钢的材料属性如表2所示。

表2 碳素钢Q345R与铝合金2024的材料属性

2.3.2 载荷计算

根据国际铁路联盟标准UIC615-4，可以得到15种不同工况条件，包括2种超常载荷条件和13种模拟运营工况载荷条件［17］。限于篇幅，本文选择其中一种超常载荷条件工况进行分析。下面是该超载载荷计算过程：

（1）计算超载运营时的基本垂向力：

式（3）中：Fz为运行时的基本垂向力，单位为N；g为重力加速度，取9.8 m/s2；mv为运行阶段空车质量，取35 880 kg；c2为额定载员质量，取19 200 kg；m+为转向架质量，取7 500 kg；nb为单个车厢下转向架数量，取nb=2。

（2）计算超载运营时的基本横向力：

式（4）中：Fy为运行时转向架承受的横向力，单位为N；c1为额定载员质量，取24 160 kg；ne为每台转向架的轮对数量，取ne=2。

（3）计算垂直斜对称载荷。根据文献［18］在超常工况下的斜对称载荷，可得垂向斜对称载荷约为10 kN，使得在对角同向施加的运营载荷模拟量p=10kN。

3 构架模型静力学分析

3.1 施加约束与载荷

在边界条件处理上，采用ANSYS中智能划分网格的方式划分网格，转向架构架的有限元网格模型如图6所示。考虑到车体与转向架安装的实际情况，在转向架构架的侧梁底面添加四个面施加固定约束（Fix Support），并在弹簧支撑座表面施加相应超载工况的垂直载荷，在侧梁侧面施加横向载荷并模拟垂直斜对称载荷，如图7所示。

图6 转向架构架网格划分结果

图7 载荷和边界条件模型

3.2 计算结果及分析

通过ANSYS软件进行有限元分析计算，得到SKMB-200型转向架构架模型的位移图和应力图，如图8～11所示。从图8和图9可知，碳素钢Q345R的转向架构架的最大变形和最大应力分别出现在转向架构架的弹簧支撑座最外侧和侧梁的圆角处；从图10和图11可以看出，铝合金与碳素钢Q345R的转向架构架的最大变形和最大应力的位置相同。由表3可知，两种材料在相同的超载工况下，满足JISE4207标准，且铝合金的最大变形量大于碳素钢Q345R，最大应力小于碳素钢Q345R。

表3 碳素钢Q345R与铝合金2024的结果比较

图8 碳素钢Q345R构架位移图

图9 碳素钢Q345R构架应力图

图10 铝合金2024构架位移图

图11 铝合金2024构架应力图

3.3 优化设计

通过ANSYS软件有限元分析计算，最大应力出现在侧梁的圆角处，通过观察发现，圆角处不够平滑，然后进行优化将圆角变平滑来减小最大应力和最大变形量，得到SKMB-200型转向架构架模型的位移图和应力图，此处仅以铝合金转向架构架进行分析，分析结果如图12和图13所示。由表4可以看出，构架优化后满足JIS E 4207标准，且优化后的铝合金转向架构架的最大变形量减少了2.482%，优化后的铝合金转向架构架的最大应力减少了13.496%。

表4 铝合金2024构架优化后结果比较

图12 优化后铝合金2024构架位移图

图13 优化后铝合金2024构架应力图

4 结论

对于CRH2型动车组列车上的SKMB-200型转向架构架而言，其在运行的过程中受力情况复杂，对尺寸参数的选择也比较严格。本文利用城市轨道交通车辆关键系统结构强度分析与计算做出基础理论分析，并通过三维建模和有限元分析分别对不同材料在超载工况下进行了强度校核，得出以下结论:

（1）经过计算得出在同种超载工况下，碳素钢Q345R的最大应力大于铝合金2024，但都小于许用应力；铝合金的最大变形量大于碳素钢Q345R，但都不超过转向架构架的安全变形量；两种材料作为转向架构架的强度均能满足标准要求。在此基础上，综合考虑了重量、耐腐蚀性和最大应力等综合性能，铝合金2024可以作为转向架构架材料更好的选择。

（2）通过三维建模和有限元分析，能够更直观地对不同材料在超载工况下进行对比分析，然后用于优化设计中。在确保构架强度合格的条件下，得出平滑的面可以有效减小零件的最大应力，提高转向架构架的使用寿命。