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提速型轉向架側架的強度有限元分析

發布于:2021-04-26 19:17
有限元分析

       隨著我國鐵路第六次大提速,客運速度在部分主干線上已經達到了200 km/h。研究表明,當客運速度達到160 km/h時,則貨運速度要相應提高到120 km/h,才能使客、貨運相互匹配而不影響鐵路運能。目前我國鐵路線路上在用的貨車中,除裝配有設計時速為120 km/h的轉K2型等轉向架的貨車車輛外,還有6萬余輛裝有設計時速為100 km/h的轉8AG型和轉8G型轉向架的車輛在使用。因此,轉8AG型和轉8G型轉向架的提速已經納入主管部門的議事日程。轉8AG型轉向架是為了適應提速要求在原轉8A型轉向架的基礎上,在側架之間加裝了彈性下交叉支撐裝置改造而成。轉8G型轉向架在轉8AG型轉向架基礎上采用了新設計的增加了壁厚的新結構側架,其余零部件與轉8AG型轉向架相同。側架是轉向架的主要承載部件,其強度性能直接關系到車輛的行車安全。為了進一步考證轉8AG型和轉8G型兩種側架的強度性能,本文運用有限元分析軟件ANSYS對其進行了靜強度分析,并對計算結果進行了比較研究。
       ANSYS是美國ANSYS公司開發的功能強大的有限元通用軟件,具有強大的前處理、求解和后處理功能,目前在鐵路車輛部門已經得到了廣泛的應用,本文對轉8AG型與轉8G型側架的強度性能采用ANSYS版本進行計算分析。
       利用計算機輔助設計軟件Solidworks,根據設計圖紙可以建立轉8AG型和轉8G型側架的三維實體模型。將側架的三維實體模型通過Parasolids接口從Solidworks引入到ANSYS中,對其進行模型離散。為了盡量減少有限元模型的單元數量,將三維實體模型中對分析結果影響較小的部位進行了適當簡化。利用側架幾何結構和載荷的對稱性,可取其一半進行分析,在模型離散的基礎上對幾個重點部位進一步細化來提高計算精度。轉8AG型側架采用10節點四面體單元進行有限元離散,半個側架共離散單元48150個,產生節點85745個,其有限元模型見圖。轉8G型側架同樣采用10節點四面體單元進行有限元離散,半個側架共離散單元41782個,產生節點74547個,其有限元模型見圖。
      依據TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》(以下簡稱《規范》)確定計算載荷。在側架彈簧承臺面上施加垂向載荷1.5C,在側架兩立柱上施加垂直于側架平面的橫向載荷0.4C。C為輪對兩軸頸的垂向靜載重,其值等于軸重減去輪對自重,轉8AG型和轉8G型轉向架采用D軸,其軸重為205。8 kN,輪對自重為10.64 kN,則C=205.8-10.64=95.16 kN,1.5C=292.74 kN,0.4C=78.06 kN。施加載荷時,垂向載荷平均作用在7處彈簧支承面上,每處載荷292.74/7=41.82kN,因取半個側架為模型對象,所以中間彈簧支承面上的載荷為41.82/2=20.91 kN,其余3個彈簧支承面上的載荷為41.82 Kn;橫向載荷平均作用在側架兩立柱的楔塊磨耗板座處,半個側架的橫向載荷為78.06/2=39.03 kN,力的方向由內側即制動滑槽的一側指向外側。垂向載荷單獨作用時,在模型的對稱截面上施加對稱約束,并約束軸箱垂向支承處單元的垂向線位移自由度;垂向載荷和橫向載荷聯合作用時,在模型的對稱截面上施加對稱約束,并約束軸箱垂向支承處單元的垂向線位移自由度和外側軸箱面的橫向線位移自由度。
       按單獨施加垂向載荷和垂向、橫向載荷聯合作用兩種工況進行計算。轉8AG型側架在兩種工況下的載荷及約束分別見圖。轉8G型側架的載荷及約束同轉8AG型側架。
       在上述有限元模型、邊界條件和載荷作用下,用ANSYS對轉8AG型側架進行計算。兩種工況下重點部位的應力計算結果見表,在聯合工況下的應力分布見圖。
       從轉8AG型側架應力分布圖可以看出,應力最大部位分別發生在承臺下部拐角處(C部位)、軸箱拐角處(A部位)、三角透視孔下邊緣(B部位),應力值分別為172.20 MPa(滑槽側)、147.11 MPa(無滑槽側)、146.14 MPa、125.02 MPa。從轉8G型側架應力分布圖可以看出,應力最大部位同樣發生在承臺下部拐角處(C部位)、軸箱拐角處(A部位)、三角透視孔下邊緣(B部位),應力值分別為167.69 MPa(滑槽側)、134.12 MPa(無滑槽側)、104.81 MPa、106.81 MPa!兑幏丁芬幎˙級鋼的許用應力為150 MPa?梢钥闯,轉8AG型和轉8G型側架除承臺滑槽側拐角的應力超出了材料的許用應力外,其余部位均滿足強度要求。分析認為,由于承臺拐角處的結構比較復雜和計算條件的有限限制了模型的規模,計算時,承臺拐角處倒角邊線的單元易發生單元歧義,導致該處有較大的應力集中因子,使得其計算應力值偏高于實際應力值。


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