【动车组转向架的构架静强度和疲劳强度分析案例9200字（论文）】

动车组转向架的构架静强度和疲劳强度分析案例1.1构架的有限元模型1.1.1有限元软件介绍有限单元法是一种强大的数值计算方法，其发展与计算机密切相关。有限元方法和有限元软件已经成为很多领域解决工程问题的有效手段。有限元分析由前处理、有限元分析和后处理三部分组成。现在主流的有限元分析软件由Ansys、Adina、Abaqus和Msc四个公司开发的一系列软件，其中Adina和Abaqus在非线性分析方面有着较强的水平，Adina软件可以进行流固耦合分析，这些软件都能进行结构、流体和热耦合分析。随计算机技术的突破，这些软件都已经形成成熟的商业模式。Ansys在线性分析和用户界面开发上有着较强的能力，Abaqus专注于结构力学相关领域，Adina的功能丰富强大。在建模方面，Ansys软件和Adina软件都可以和其他Parasolid为核心的CAD软件实现无缝的双向数据交换。本文对构架三维实体模型进行离散时采用Hypermesh软件构建有限元模型。Hypermesh是Altair公司的产品，是一个高性能的有限元前处理器，还可以实现人工干预网格质量，本次使用它对构架进行前处理工作。再使用Ansys进行后处理模拟计算的工作。因为进行有限元分析的时候，需要花费大量的时间和精力来划分网格，而求解计算是消耗在计算机工组站上，所以选择一个功能强大、灵活方便的前处理软件可以大幅度地提高工作效率。Hypermesh能让工程师在高度交互和可视化地环境下进行仿真分析工作。同其他软件相比，Hypermesh有着其强大地不可替代性，其优点如下：Hypermesh的图形用户界面直观简洁，易于用户学习，尤其2019新版本开发了全新的用户界面，图标更加简单、易查找，便于新手便捷学习，提高了效率。Hypermesh核心对象是网格，具有高性能的有限元网格划分和处理效率，极大地缩短了工程师工程分析的周期。其网格处理能力非常强大，可以解决复杂模型的网格划分问题。不同于其他软件，Hypermesh可以脱离几何修改网格，还可以对不合理的单元进行修改，如通过调整节点可以改变网格等。在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使用适用的求解器。比如本文仿真后处理采用Ansys软件，HM中求解器就可以选择Ansys。Hypermesh有着高度的可定制性，从而提高效率。可以通过简单的步骤重新布置Hypermesh的菜单系统，定制用户界面。高速度、高质量的自动网格划分极大地简化了复杂几何的有限元建模过程。Hypermesh也可以快速地用高质量的一阶或二阶四面体单元自动划分封闭的区域。本文采用Hypermesh与Ansys联合仿真的方法。Ansys有限元软件是一个多用途的计算机软件，可以用来求解结构、流体、电磁场和碰撞等问题，因此它的应用领域非常广泛，如航空、建筑、林业、交通和医学等。本次使用Ansys进行后处理工作，后处理模块可以将计算结果以图表、曲线形式显示出来。后处理器可以处理的数据类型有两种，基本数据和派生数据。本次采用AnsysAPDL插件进行模拟计算。APDL把Ansys系列产品融合在仿真平台，实现数据的无缝传递和共享，既保证了仿真模拟的通用性和精确性，又提高了仿真效率。1.1.2有限元建模原则有限法（FiniteElementMethod）是基于计算机的快速发展而发展起来的一种近似数值方法，用于解决力学、数学中带有边界条件的偏微分方程问题。有限元单元法的核心思想是“数值近似”和“离散化”。有限元法把复杂的整体结构离散成有限个单元体（FiniteElement），再把这种理想化的载荷施加于结构内部的每一个单元，再通过边界条件和其他约束，求解结构的总反应。其总过程可以简化为：总结构离散化—单元力学分析—单元组装—总结分析—添加约束—求解得结构的总反应。有限元建模的两大基本原则：（1）保证精度；（2）适当地控制模型规模。有限元分析的目的是利用结果修正或优化设计，有限元分析过程中会产生模型误差和计算误差，如图2.3所示。模型误差是将实际模型抽象成有限元模型时产生的误差，可能出现在离散时的误差、实际工况在量化成边界条件时的误差、单元形状的误差。因此提高精度的措施有：（1）提高单元阶次，如六面体网格比四面体网格的精度更高，但是计算更复杂；（2）提高单元的数量；（3）划分规则的单元形状，避免不规则形状；（4）建立与实际相符的边界条件，尽可能减少边界误差；（5）减小模型规模；（6）避免“病态”非正常的方程式。由于计算规模会对计算时间、存储容量和计算精度产生影响，所以要在“保证精度的同时尽可能地减小计算规模”。图1.1有限元建模中的误差1.1.3有限元模型的建立研究对象为构架结构，该构架三维实体模型是由壳单元和实体单元建成的，在Hypermesh中进行的工作主要有：几何清理、网格划分和添加材料属性等，其中几何清理包括去圆角、修复缺陷等，网格划分的方式有多种，主要是从2D网格到3D网格的过程。Hypermsh中网格划分的基本步骤如图2.4。对转向架构架进行离散，单元尺寸为10，节点数为150537个，单元数为367958个，并在转臂定位座和一系弹簧定位座处添加弹性约束，其建模过程如下：（1）导入模型，在三维软件Solidworks中根据实物构建构架的简化结构，并另存为“.stp”格式，便于导入Hypermesh。（2）几何清理，三维实体模型中包含细微特征，例如曲面、倒角和圆角等，进行分析时如果要准确模拟这些特征就需要用到很多细小单元，导致求解时间过长和应力集中，为解决以上存在的问题，就需要对构架模型进行几何清理，包括去除不必要的倒角等。（3）对模型进行分块，用solidedit等功能，将侧梁与横梁、横梁与辅助梁、辅助梁与吊座之间分割开，放在不同的component中，由于构架结构基本为对称结构，对模型进行分块后，便于简化网格划分的复杂度，比如侧梁为对称结构，用distance中的nodesbetween可以做出侧梁的中点，在使用solidedit中的trimwithsurf取法向为x轴和中点为参考，即可取得1/2侧梁，从而实现网格划分的简化。（4）在网格划分之前，要根据构架的结构特点，受载情况、分析目标等确定网格类型、网格大小和划分的方法。网格类型包括单元的维数、单元的形状和单元的阶数等，其中单元的维数指一维的线单元、二位的面单元或者三维的体单元，网格的形状包括三角形还是四边形、四面体、五面体还是六面体。网格的大小取决于模型的规模、计算机的能力以及对计算精度的要求等方面，网格大小的合理选择既可以保证计算精度又可以减小计算时间。网格的划分方法有很多种，如抽取“中面”法、映射提网格法等。（5）对侧梁进行网格划分，由于构架的侧梁是有一定厚度的壳结构，所以对侧梁的网格划分采用抽取“中面”的方法。首先利用Hypermesh中的midsurface功能对1/2侧梁抽取中面，抽取后大部分区域的中面质量是好的，只有很少地方的中面抽取是失败的，所以使用midsurface这个功能可以完成侧梁中面的抽取。其次，对于中面不合格的地方，如转臂定位座处，可以在已抽取的中面上直接修改，切割出应有的安装座。然后，在中面修改结束后点击automesh划分对侧梁划分2D网格，划分后使用qualityindex检查网格质量，分别要满足最小尺寸、最大尺寸、最小角和jacobian的要求，对质量不合格的单元进行重新划分或修改。再使用edges检查是否存在自由边。当2D网格质量没有问题后，不同厚度的网格对应模型的厚度添加其厚度。最后，利用reflect功能即镜像的原理将1/2侧梁网格实现镜像复制，使用edges检查自由边，从而得到一个完整的侧梁网格。同理可以利用镜像得到2位侧的侧梁网格。（6）对横梁进行网格划分，由于横梁是具有一定厚度的中空管状的横梁，所以对横梁也是采取“中面”网格划分，再添加厚度的方法。（7）对牵引拉杆座进行网格划分，因为牵引拉杆座是实体单元，无法抽取中面，其结构简单且对称，所以采用2D中的automesh中三角形的单元类型直接划分2D网格，网分后使用qualityindex检查网格质量，当网格质量没有问题后，使用tetramesh增加3D涂层，检查网格质量。（8）对纵向辅助梁进行网格划分，辅助梁也是实体单元，划分方法同牵引拉杆座。（9）添加联接关系，为了简化网格划分，把构架各部分切分开了，不能保证网格的连续性，所以需要添加连接关系或者重新修改网格。比如侧梁和横梁连接处的网格不连续，可以将侧梁上的连接面删除，利用ruled的功能在侧梁和横梁之间重新构建网格。因为牵引拉杆座与横梁之间是通过焊接连接在一起的，是刚性连接，所以可以在横梁与牵引拉杆座、横梁与辅助梁之间添加rb2联接。联接结束后使用checkelems中的1D检查是否有自由节点并进行修改。（10）添加弹性刚度，根据表1.3，利用spring功能在弹性定位节点（转臂定位座）横向和纵向刚度，在一系弹簧定位座处添加横向、纵向和垂向刚度。（11）建立节点组，利用entitysets功能，在需要加边界条件的位置建立节点组。a.构架俯视图b.构架仰视图图1.3构架有限元模型1.2确定边界条件1.2.1规范的选择涉及转向架构架的现有规范和标准有很多，其中国际、国外相关标准有日本的JISE4208:2004《铁路车辆转向架载荷试验方法》，其中规定了载荷、应力计算、疲劳极限图和疲劳评估等。欧洲各国制定了欧洲规范EN13749:2011《铁路应用轮对和转向架转向架结构要求的规定方法》，国际铁路联盟制定了UIC615-4：2003《电力动车转向架和走行装置转向架结构强度试验》和UIC515-4：1993《客车车轮拖车转向架和传动齿轮转向架构架结构强度试验》标准，UIC标准采用Goodman疲劳极限图进行疲劳强度评估[1]。我国在构架强度设计和鉴定方面的相关规范有1995年发布的“高速试验列车动力车强度及动力学规范”、“高速试验列车客车强度及动力学规范”和“200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及实验鉴定暂行规定”，相关标准有1996年制定的TB/T1355-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》、2008年制定的TB/T2637-2008《铁道客车转向架构架、摇枕及摇动台》，2019年4月8日发布的TB/T3549.1—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范转向架第1部分：转向架构架》等。本文的研究对象是CRH380B转向架的构架，和谐号CRH380B型电力动车组是由唐山轨道客车股份有限公司和长春轨道客车股份有限公司在CRH380C的基础上自主研发的高速动车组。而CRH380C是采用的技术是引进西门子公司的ICE3的技术。所以本文采用UIC615-4：2003《电力动车转向架和走行装置转向架结构强度试验》。该标准包含了施加有特殊载荷的静态试验、模拟工作中主要负载的静态试验、模拟工作中特殊负载的静态试验、疲劳试验、疲劳强度的评估几个方面的载荷计算、实验程序、得到的结果等。在UIC615-4中规定的构架的约束条件如图1.4。图1.4构架的约束条件1.2.2超常载荷工况（1）作用在每个侧梁上的垂向载荷F其中，mvc1m+g-重力加速度，9.8m/s（2）作用于构架上的横向载荷F横向载荷又可以细分为：作用于每个空气弹簧上的载荷Fy_Ss=K作用于横向止挡上的横向载荷为Fy_h=F（3）使转向架产生翘曲该翘曲是当某个车轮100%不承载时转向架本身产生的，目的在于模拟转向架的出轨情景。用抬高斜对称车轮的位置25mm代替斜对称载荷即取在一系弹簧定位座处加斜对称位移25mm。（4）约束条件在4个弹性定位座处分别加横向刚度5.49kN/mm，纵向刚度11.7kN/mm的弹性约束。取不是加斜对称位移的另外两个轴箱弹簧定位座分别施加弹性约束，其中垂向刚度为1.244kN/mm。负载每个侧梁上的垂向力横向力F斜对称载荷(mm)左侧梁Fz1右侧梁Fz211561562156156115.525表1.1超常载荷工况1.2.3模拟运营工况（1）作用在每个侧梁上的垂向载荷F其中，mvc2m+g-重力加速度，9.8m/s（2）作用在转向架上的横向载荷F横向载荷又可以细分为：作用于每个空气弹簧上的载荷F式中，KSs作用于横向止挡上的横向载荷为Fy_h=Fymax（4）约束条件按图1.2中的要求添加约束条件，在4个弹性定位座处分别加横向刚度5.49kN/mm，纵向刚度11.7kN/mm的弹性约束。在轴箱弹簧定位座分别施加弹性约束，其中垂向刚度为1.244kN/mm。表1.2模拟运营工况载荷负载每个侧梁上的垂向力横向力F左侧梁Fz1右侧梁Fz21111.6111.602100.478.103100.478.171.74100.4122.705100.4122.771.7678.1100.40778.1100.4-71.78122.7145.109122.7145.1-71.71.3静强度评估1.1.1导入APDL计算对有限元网格模型进行模拟计算主要有以下的步骤：（1）在Hypermesh里加载荷和约束条件，根据表1.1和表1.2，利用forces功能将所有载荷的种类和大小分别放在不同的LoadCollectors中，利用constraints功能在已添加的弹性刚度基础上将弹性定位节点和一系弹簧定位座处的约束放在不同的LoadCollectors中。（2）在Hypermesh里加工况，一个工况对应一个载荷步Steps，根据表1.1和表1.2对不同工况分别选择相应的约束和载荷条件。（3）导出.cdb文件，点击ExportSolverDeck图标，选择导出的文件夹及名称，点击All选项，进行导出。（4）打开APDL，点击MechanicalAPDLProductLauncher2020R2打开AnsysAPDL,在FileManagement里选择工作目录和.cdb目标文件，点击Run进入界面。（5）导入文件，从File中Readintofrom...里选择目标文件，依次点击SAVE_DB和RESUM_DB，在POWRGRPH中选择OFF。（6）模拟计算，点击Solution中的Solve，选择FromLSFiles中从第1个工况开始，计算到第10个工况，每次只计算1个工况。（7）后处理，通过GeneralPostproc中的ReadResults,选择要读取的工况，点击Read。再通过PlotResults点击ContourPlot中的NodalSolu选择vonMisesstress点击OK即可得到应力云图。结果见下图。图1.5模拟运营工况1应力云图图1.6模拟运营工况2应力云图图1.7模拟运营工况3应力云图图1.8模拟运营工况4应力云图图1.9模拟运营工况5应力云图图1.10模拟运营工况6应力云图图1.11模拟运营工况7应力云图图1.12模拟运营工况8应力云图图1.13模拟运营工况9应力云图图1.14超常载荷工况1应力云图图1.14超常载荷工况2应力云图1.1.2超常载荷工况静强度校核CRH3980B动车组构架采用的材料主要是S355JG3C，该材料的屈服刚度σs为355MPa，依据UIC615-4标准在超常载荷工况下安全系数取1.1，则超常载荷工况下的许用应力为σ=由图1.13得出，构架在超常载荷工况下经过模拟计算得到最大应力值是266.3MPa，发生在转臂定位节点处，由于该处结构复杂，处于变截面的位置，网格复杂，所以应力值比较大。最大应力值266.3MPa小于许用应力322MPa，因此基于UIC615-4标准，构架在超常载荷工况下满足静强度要求。表1.2模拟运营载荷工况下的最大应力及其发生位置工况最大应力值（MPa）发生部位1239.7侧梁上盖板空气弹簧座处2266.3转臂定位座附件1.1.3模拟运营工况静强度校核该构架采用的材料是S355JG3C，该材料的屈服刚度σs为355MPa，依据UIC615-4标准在模拟运营载荷工况下安全系数取1.5，则超常载荷工况下的许用应力为σ由图1.5到图1.12得出，构架在模拟运营8种载荷工况下经过模拟计算分别得到最大应力值和其发生的位置。见表1.2。可以得到最大应力值发生在工况7下，构架的最大应力值为221.8MPa，发生在侧梁上盖板空气弹簧座处，主要原因是因为构架侧梁在空气弹簧座下有焊接的加强筋，导致此处的应力值比较大。而最大应力值为221.6MPa小于该工况下材料的许用应力236MPa，因此构架在模拟运营载荷工况下满足静强度要求。表1.2模拟运营载荷工况下的最大应力及其发生位置工况最大应力值（MPa）发生部位1171.6侧梁上盖板空气弹簧座处2146.4侧梁上盖板空气弹簧座处3144.6转臂定位座附件4189.3侧梁上盖板空气弹簧座处5212.1辅助梁与横梁连接处6155.1转臂定位座附件7151.1侧梁上盖板与横梁连接处8221.8侧梁上盖板空气弹簧座处9221.9侧梁上盖板与横梁连接处1.4疲劳强度及疲劳寿命分析1.4.1疲劳薄弱点应力计算（1）选取疲劳薄弱点选取疲劳校核点时，应该在每个模拟运营工况下分别选取6-8个应力值较大的部位，比如应力集中的部位、危险界面处、吊座处、焊接区域即焊缝处、变截面区域等。如图1.14，在构架上选取6个薄弱点。在Hypermesh中利用number功能对选取的6个疲劳薄弱点的编号进行查找，得到对应的节点编号见表1.3。图1.14疲劳校核点选取表1.3疲劳薄弱点节点编号节点位置位置节点编号ID1空气弹簧座处8100282转臂定位座5329903一系弹簧定位座处8031154横梁与辅助梁连接位置6143945牵引拉杆座与横梁连接位置6188716侧梁上盖板附近812628（2）在APDL下对不同工况下6个疲劳薄弱点的应力值进行查找，结果如下表。表1.4模拟工况1-5疲劳薄弱点应力值节点位置应力值（MPa）工况1工况2工况3工况4工况51171.6146.4144.6189.3144.52131.5128.2111.4109.9117.83120.1121.2121.2137.1137.74130.2111.654.6114.5212.1595.3112.0131.081.3142.3657.380.668.889.670.2表1.5模拟工况6-9疲劳薄弱点应力值节点位置应力值（MPa）工况6工况7工况8工况91114.0115.4221.8177.42155.1110.9130.8148.53111.9121.7162.3161.94111.3151.1120.8221.1589.244.2104.699.2650.668.980.572.5（3）求解疲劳评估点的平均应力和应力幅。绘制疲劳强度校核曲线Goodman图中需要用到的参数有平均应力σm，应力幅σa，当量应力其中平均应力通过计算公式（3-1）即可求得；应力幅计算公式为（3-2）；将平均应力和应力幅代入公式（3-3）求解当量应力σ−1，安全系数等于许用应力除当量应力求得。构架的材料较均匀、载荷及应力也比较准确，根据手册查得其许用安全系数为1.3，如表1.6，得到不同疲劳薄弱点的安全系数都是大于1.3的。σmσaσa表1.6疲劳薄弱点应力值（MPa）薄弱点最大应力最小应力应力幅平均应力当量应力安全系数1146.480.632.9111.5121.21.92144.654.64584.692.62.53137.181.327.9109.2115.42.04212.170.270.9141.2161.51.45155.150.652.3102.9114.42.16151.144.254.598.65110.22.11.4.2疲劳强度评估基于UIC615-4标准，需要利用古德曼-史密斯（Goodman-Smith）图对模拟运营载荷工况下求得的平均应力和最小、最大应力进行疲劳强度校核，判断是否超过疲劳极限图的范围。绘制Goodman图建立一个坐标系，横坐标表示平均应力σm，纵坐标表示应力的上下极限值σmax、假设σs=σb，在纵坐标上标出强度极限点（0，σb）和正负屈服极限点（0，±σs），再标出正负疲劳极限点（0，±假设压缩屈服之前，负平均应力不影响疲劳极限图的应力幅，分别过A（0，σ−1）、E（0，-σ−1）作GC的平行线，得到斜线AH和EF。过负的屈服极限点（0，-图1.15修正的Goodman疲劳极限图疲劳强度评定结果如图1.14，工况1-8所有的载荷工况下，疲劳薄弱点都落在Goodman疲劳极限图包络线里面，所以构架在模拟运营工况下，构架的疲劳强度满足要求。图1.14构架的Goodman疲劳极限图1.4.3材料S-N曲线通过对一组标准试样施加不同应力幅的循环载荷可以得到一组循环数，以循环应力中的最大应力作为坐标系的纵轴，破环循环次数作为横轴，绘制出应力-寿命曲线即σ−N曲线，也统称为S-N曲线。疲劳极限（σr或σ−1）就是材料经过无限次应力循环而不发生疲劳破坏的应力值。横坐标通常使用对数横坐标，纵坐标可以是最大应力σmax和应力幅σa，用最小二乘法拟合lgN=a+blgσ得到典型的S-N曲线,如图1.15。结构钢得到的S-N曲线，有一段水平渐近线，当σmax>σ−1时，结构钢经过有限次循环就发生破坏，当图1.15典型的S-N曲线图1.16结构钢的S-N曲线当横坐标和纵坐标都取对数时，S-N曲线由1条斜直线和1条水平线组成，如图1.16。两直线的汇交点的横坐标用N0表示，钢结构N0=107，纵坐标为疲劳极限σ−1，斜线部分的斜率S-N曲线的测定方法一般有两种，一种是单点法即只采用1根试样，主要用来测定疲劳极限，另一种是成组法即采用3-5个标准试样，当误差限度一定时，每一组的最小试样数取决于变异系数和置信度。1.4.4平均应力对疲劳强度的影响（1）平均应力折算法平均应力对疲劳强度的影响与它的作用性质有关。一般，平均拉应力对疲劳强度是不好的，它会降低材料疲劳寿命，而平均压应力对疲劳强度是好的，它会提高材料疲劳寿命。图1.17平均应力对疲劳寿命的影响图1.18不同方法的疲劳极限图将平均应力折算成等效对称循环应力幅值即σm→σσa（2）平均应力计算结果引用文献[5]中平均应力的计算公式（3-5），每个侧梁上作用的垂向静载荷计算如下。Fz其中:mvc2m+g-重力加速度，9.8m/s对构架的有限元模型采用轴箱弹簧和转臂定位座弹性节点定位，如图1.19，黄色三角形为约束位置。经过高性能的CAE计算机技术对构架进行模拟计算，得出构架的应力云图如图3-20以及各典型部位的平均应力值如表3-12。图1.19约束条件（a）俯视图（b）仰视图（c）