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摘 要： 为了计算轨道动力车车车架的静强度，保证动力车正常的工作和运行，提出了一种在三维软件中建模方法与边界条件的施加方法。运用ANSYS WORKBENCH软件对车架进行结构静强度和刚度的有限元分析并与试验结果对比。结果表明：车架的静强度和刚度均满足设计要求，对于同一测试点其仿真分析的应力值与试验得到的应力值误差基本在15%以内，结果一致性较好，所提出的方法也可以为其他类型的车架建模及仿真分析提供参考。
关键词： 动力车车架;刚度;强度;ANSYS WORKBENCH
中图分类号： U260.2+1 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.050
本文著录格式：张治琪，李世芸，王晓东，等. 轨道动力车车架结构强度与刚度分析[J]. 软件，2020，41（01）：229233
【Abstract】： To calculate the static strength of the frame of the track power car and ensure the normal operation of the power car， a method of modeling and applying boundary conditions in three-dimensional software is proposed. ANSYS WORKBENCH software is used to analyze the static strength and stiffness of the frame by finite element method， and the results are compared with the test results. The results show that the static strength and stiffness of the frame meet the design requirements. For the same test point， the error between the stress value of the simulation analysis and the stress value of the test is less than 15%. The results are in good agreement. The proposed method can also provide reference for other types of frame modeling and simulation analysis.
【Key words】： Track power frame; Stiffness; Strength; ANSYS WORKBENCH
0 引言
铁路运输是我国的主要运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用[1]。随着铁路运输的快速发展，对铁路养护和清污机械的需求也在增加。TX-100Ⅱ型铁路道床吸污车是中国铁建高新装备股份有限公司最新研制的专用于运煤专线的大型养路机械，TX-100Ⅱ型铁路道床吸污车由动力车、主吸车、侧吸车三节车组成。本文将对动力车车架进行分析研究。大型养路机械机车车架是整车的基体，是将列车的主要总成和部件连接成整体的金属架 构[2]，其结构的强度、刚度是否满足要求将直接影响到车辆的可靠性和安全性。用有限元方法计算车架的强度与刚度常用的有两种建模的方法，一种是在三维制图软件中生成实体模型然后导入到有限元软件中划分网格，加载计算[3-5]，但划分实体模型得到的网格数目较多，因此计算速度较慢，且网格都是空间四面体网格，网格精度低，所以计算结果与实际情况有较大的误差;另一种方法是建立模型中性面的壳体单元进行划分网格计算[6-10]。用这种方法计算的结果与实际情况相符，误差较小。但轨道动力车车架是由大量矩形管焊接而成，矩形管的厚度不相同，建立中性面模型时，垂直连接的矩形管外表面不连续，无法完成网格划分和有限元计算。
本文提出了在三维绘图软件中建立车架外表面片体模型的方法，并将将模型导入到ANSYS WORKBENCH中进行网格划分，使用可以按方向偏置厚度的殼体单元计算。建立车架外表面模型可以保证整个车架模型的连续性。对片体模型划分网格，得到的是平面四边形网格，网格数目小于实体模型的网格，计算速度较快，而按厚度方向偏置后即为空间六面体网格，网格精度高，计算结果与实际值接近，误差较小。该方法也可以使用于其他类型的车架建模和有限元分析。
1 车架简介
车架长度为23240 mm，宽度为3040 mm，是由两根工字梁和大量矩形钢管焊接而成，矩形管厚度有8 mm、10 mm、12.5 mm和16 mm四种类型。车架的结构如图1所示。
车架心盘距为1800 mm，材料为Q345D，材料参数如表1所示。由于车架部分承载大，为了加强车架的刚度和强度，在垂向上增加了一些辅助结构，用以抵抗车架的垂向变形。
2 车架前处理
2.1 车架有限元模型
在三维制图软件Solid Edge中完成车架的建模。建模过程中，矩形管以及肋板部位均取外表面以保证整个模型的连续，然后将模型导入ANSYS WORKBENCH中进行网格划分，网格划分方式为自适应方式，控制网格大小为30 mm，得到的有限元模型如图2所示。
可以计算出垂向动载荷系数为0.203。根据标 准[12]，纵向拉伸的力为980 KN，纵向的压力为1180 KN，考虑到列车运行的实际情况，需要在垂向静载荷的基础上再加10%以代替车体受到的侧向力，因此纵向拉伸时车架所受的载荷为980 KN的拉力+1.3倍垂向静载荷，拉力作用于车架两端的受力圆孔面上;纵向压缩车架所受载荷1180 KN+1.3倍垂向静载荷，压力作用的位置与拉伸时相同。垂向静载荷载以质量点的方式直接与承载位置相连接，连接区域做刚性处理。 根据实际工作情况，车架的约束点有两个，分别在车架两端枕梁下方的心盘处，且两处都是球铰约束。具体为一端心盘约束住UX，UY，UZ，ROTX;另一端心盘处约束UY，UZ，ROTX。为了避免约束位置出现过大的应力集中，还应将心盘与车架接触的部位做刚性处理[6]。
3 车架静强度试验
轨道动力车静强度实验由铁道科学院主持，在中国铁建高新装备股份有限公司完成，根据车架的实际工况与受力情况分别进行加载实验。
图3是车架静强度实验工装图，车架的应力测试点布置如图4所示。在测试点处贴单向应变片。
拉伸工况和压缩工况下，车架上的载荷用25 Kg/袋的砂袋和1吨/块的配重块代替，如图5所示。
4 结果分析与对比
4.1 刚度情况
在垂向空载和垂向静载时需要计算出车架最大挠度值，表3列出了有限元计算结果和试验得到的两种工况下的最大挠度值。
从表3可以看出，垂向空载和垂向静载时车架的仿真和试验最大挠度值都低于20 mm，与试验结果相吻合，说明有限元计算结果比较精确，车架的刚度是符合设计要求的。如图6所示，为垂向静载下有限元计算的车架垂向变形分布，从图上可以看出车架的最大垂向变形在中部，最大变形值5.57 mm，负号表示变形方向向下，因为动力车的主要工作部件都在中间部位，载荷较大，这也是与实际相符的。
4.2 强度情况
纵向拉伸和纵向压缩时车架的强度应力值应小于216 MPa，如表4所示，列出了测试点有限元仿真结果和试验结果的应力值。
由表4可得，在拉伸工况下，车架同一点的最大计算应力为204.5 MPa，最大试验应力为198.4 MPa，两者误差为3.1%，应力值均小于许用应力216 MPa，这表明车架的强度是符合设计要求的。如图7所示为拉伸工况下的应力分布图，从图上可以看出车架的应力主要分布在两端枕梁和受力的从板座、圆孔附近，除此之外，车架整体应力分布均匀且都在正常的范围之内。
纵向压缩时，车架的受力情况是在考虑垂向动载前提下两端承压1180 KN，如表5所示是压缩工况下测试点有限元仿真结果和试验结果的应力值。
从表5中的对比结果中可见，压缩工况的计算结果表明强度同样满足设计要求，测试点最大计算应力为209.2 MPa，最大试验应力为205.8 MPa，应力值在许用应力范围之内。如图8是压缩工况的应力分布图，从图中可见车架的应力主要分布在两端牵引部位和枕梁附近，这些位置受力情况较为复杂，计算应力与实际应力相对差值较大。车架中间部位应力值都在合理的范围之内，且应力分布较为均匀。
5 结束语
本研究通过有限元计算和试验对比，计算并同时验证了轨道动力车车架的静强度和刚度，从计算结果可得车架的强度和刚度都是符合设计要求的，且计算结果与试验结果比较接近，特别是大应力点一致性较好。研究结果表明在三维软件中建立车架外表面的模型并进行有限元分析的方法是可行的，有限元计算的结果与试验结果误差较小，说明这种建模方法合理，计算比较准确。同时该方法也可为其他类型的车架的建模与分析提供借鉴。
参考文献
[1] 姜雷. 轨检车车架强度的有限元分析[J]. 铁道建筑， 2009（1）： 12-14.
[2] 刘然. 大型养路机车车架钢结构有限元优化设计[J]. 装备制造技术， 2014（6）： 12-14.
[3] 杨文志， 闵全金. 某矿用车后车架强度及模态分析[J]. 机械工程與自动化， 2018（4）： 87-88， 90.
[4] 赵磊. 内燃机车车体结构的强度与疲劳分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2015.
[5] 宛银生， 周伟， 姜再友， 等. 基于Hyper Works的副车架强度及模态分析[J]. 汽车工程师， 2017（3）： 16-18.
[6] 王晓东， 苟国庆. 轨道除雪车车架静强度分析及试验[J]. 铁道机车与动车， 2014（02）： 28-30.
[7] 李娅娜， 张宇婷， 韩肖. 某地铁车体静强度分析及试验验证[J]. 计算机辅助工程， 2016， 25（02）： 14-18.
[8] 吴丹， 李晋武. 高速转向架构架强度及模态分析研究[J]. 兰州交通大学学报， 2013， 32（1）： 161-163.
[9] 方凯. 铁道车辆车钩疲劳强度分析及试验台设计[D]. 成都： 西南交通大学， 2015.
[10] 刘贺. 重型轨道车体强度分析及底架结构优化设计[D]. 北京： 北京交通大学， 2017.
[11] 李世芸， 肖正明. 弹性力学及有限元[M]. 北京： 机械工业出版社， 2015.
[12] TB/T1335-1996. 铁道车辆强度设计及鉴定规范[S].
[13] 刘鸿文. 高等材料力学[M]. 北京： 高等教育出版社， 1985.
关键词： 动力车车架;刚度;强度;ANSYS WORKBENCH
中图分类号： U260.2+1 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.050
本文著录格式：张治琪，李世芸，王晓东，等. 轨道动力车车架结构强度与刚度分析[J]. 软件，2020，41（01）：229233
【Abstract】： To calculate the static strength of the frame of the track power car and ensure the normal operation of the power car， a method of modeling and applying boundary conditions in three-dimensional software is proposed. ANSYS WORKBENCH software is used to analyze the static strength and stiffness of the frame by finite element method， and the results are compared with the test results. The results show that the static strength and stiffness of the frame meet the design requirements. For the same test point， the error between the stress value of the simulation analysis and the stress value of the test is less than 15%. The results are in good agreement. The proposed method can also provide reference for other types of frame modeling and simulation analysis.
【Key words】： Track power frame; Stiffness; Strength; ANSYS WORKBENCH
0 引言
铁路运输是我国的主要运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用[1]。随着铁路运输的快速发展，对铁路养护和清污机械的需求也在增加。TX-100Ⅱ型铁路道床吸污车是中国铁建高新装备股份有限公司最新研制的专用于运煤专线的大型养路机械，TX-100Ⅱ型铁路道床吸污车由动力车、主吸车、侧吸车三节车组成。本文将对动力车车架进行分析研究。大型养路机械机车车架是整车的基体，是将列车的主要总成和部件连接成整体的金属架 构[2]，其结构的强度、刚度是否满足要求将直接影响到车辆的可靠性和安全性。用有限元方法计算车架的强度与刚度常用的有两种建模的方法，一种是在三维制图软件中生成实体模型然后导入到有限元软件中划分网格，加载计算[3-5]，但划分实体模型得到的网格数目较多，因此计算速度较慢，且网格都是空间四面体网格，网格精度低，所以计算结果与实际情况有较大的误差;另一种方法是建立模型中性面的壳体单元进行划分网格计算[6-10]。用这种方法计算的结果与实际情况相符，误差较小。但轨道动力车车架是由大量矩形管焊接而成，矩形管的厚度不相同，建立中性面模型时，垂直连接的矩形管外表面不连续，无法完成网格划分和有限元计算。
本文提出了在三维绘图软件中建立车架外表面片体模型的方法，并将将模型导入到ANSYS WORKBENCH中进行网格划分，使用可以按方向偏置厚度的殼体单元计算。建立车架外表面模型可以保证整个车架模型的连续性。对片体模型划分网格，得到的是平面四边形网格，网格数目小于实体模型的网格，计算速度较快，而按厚度方向偏置后即为空间六面体网格，网格精度高，计算结果与实际值接近，误差较小。该方法也可以使用于其他类型的车架建模和有限元分析。
1 车架简介
车架长度为23240 mm，宽度为3040 mm，是由两根工字梁和大量矩形钢管焊接而成，矩形管厚度有8 mm、10 mm、12.5 mm和16 mm四种类型。车架的结构如图1所示。
车架心盘距为1800 mm，材料为Q345D，材料参数如表1所示。由于车架部分承载大，为了加强车架的刚度和强度，在垂向上增加了一些辅助结构，用以抵抗车架的垂向变形。
2 车架前处理
2.1 车架有限元模型
在三维制图软件Solid Edge中完成车架的建模。建模过程中，矩形管以及肋板部位均取外表面以保证整个模型的连续，然后将模型导入ANSYS WORKBENCH中进行网格划分，网格划分方式为自适应方式，控制网格大小为30 mm，得到的有限元模型如图2所示。
可以计算出垂向动载荷系数为0.203。根据标 准[12]，纵向拉伸的力为980 KN，纵向的压力为1180 KN，考虑到列车运行的实际情况，需要在垂向静载荷的基础上再加10%以代替车体受到的侧向力，因此纵向拉伸时车架所受的载荷为980 KN的拉力+1.3倍垂向静载荷，拉力作用于车架两端的受力圆孔面上;纵向压缩车架所受载荷1180 KN+1.3倍垂向静载荷，压力作用的位置与拉伸时相同。垂向静载荷载以质量点的方式直接与承载位置相连接，连接区域做刚性处理。 根据实际工作情况，车架的约束点有两个，分别在车架两端枕梁下方的心盘处，且两处都是球铰约束。具体为一端心盘约束住UX，UY，UZ，ROTX;另一端心盘处约束UY，UZ，ROTX。为了避免约束位置出现过大的应力集中，还应将心盘与车架接触的部位做刚性处理[6]。
3 车架静强度试验
轨道动力车静强度实验由铁道科学院主持，在中国铁建高新装备股份有限公司完成，根据车架的实际工况与受力情况分别进行加载实验。
图3是车架静强度实验工装图，车架的应力测试点布置如图4所示。在测试点处贴单向应变片。
拉伸工况和压缩工况下，车架上的载荷用25 Kg/袋的砂袋和1吨/块的配重块代替，如图5所示。
4 结果分析与对比
4.1 刚度情况
在垂向空载和垂向静载时需要计算出车架最大挠度值，表3列出了有限元计算结果和试验得到的两种工况下的最大挠度值。
从表3可以看出，垂向空载和垂向静载时车架的仿真和试验最大挠度值都低于20 mm，与试验结果相吻合，说明有限元计算结果比较精确，车架的刚度是符合设计要求的。如图6所示，为垂向静载下有限元计算的车架垂向变形分布，从图上可以看出车架的最大垂向变形在中部，最大变形值5.57 mm，负号表示变形方向向下，因为动力车的主要工作部件都在中间部位，载荷较大，这也是与实际相符的。
4.2 强度情况
纵向拉伸和纵向压缩时车架的强度应力值应小于216 MPa，如表4所示，列出了测试点有限元仿真结果和试验结果的应力值。
由表4可得，在拉伸工况下，车架同一点的最大计算应力为204.5 MPa，最大试验应力为198.4 MPa，两者误差为3.1%，应力值均小于许用应力216 MPa，这表明车架的强度是符合设计要求的。如图7所示为拉伸工况下的应力分布图，从图上可以看出车架的应力主要分布在两端枕梁和受力的从板座、圆孔附近，除此之外，车架整体应力分布均匀且都在正常的范围之内。
纵向压缩时，车架的受力情况是在考虑垂向动载前提下两端承压1180 KN，如表5所示是压缩工况下测试点有限元仿真结果和试验结果的应力值。
从表5中的对比结果中可见，压缩工况的计算结果表明强度同样满足设计要求，测试点最大计算应力为209.2 MPa，最大试验应力为205.8 MPa，应力值在许用应力范围之内。如图8是压缩工况的应力分布图，从图中可见车架的应力主要分布在两端牵引部位和枕梁附近，这些位置受力情况较为复杂，计算应力与实际应力相对差值较大。车架中间部位应力值都在合理的范围之内，且应力分布较为均匀。
5 结束语
本研究通过有限元计算和试验对比，计算并同时验证了轨道动力车车架的静强度和刚度，从计算结果可得车架的强度和刚度都是符合设计要求的，且计算结果与试验结果比较接近，特别是大应力点一致性较好。研究结果表明在三维软件中建立车架外表面的模型并进行有限元分析的方法是可行的，有限元计算的结果与试验结果误差较小，说明这种建模方法合理，计算比较准确。同时该方法也可为其他类型的车架的建模与分析提供借鉴。
参考文献
[1] 姜雷. 轨检车车架强度的有限元分析[J]. 铁道建筑， 2009（1）： 12-14.
[2] 刘然. 大型养路机车车架钢结构有限元优化设计[J]. 装备制造技术， 2014（6）： 12-14.
[3] 杨文志， 闵全金. 某矿用车后车架强度及模态分析[J]. 机械工程與自动化， 2018（4）： 87-88， 90.
[4] 赵磊. 内燃机车车体结构的强度与疲劳分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2015.
[5] 宛银生， 周伟， 姜再友， 等. 基于Hyper Works的副车架强度及模态分析[J]. 汽车工程师， 2017（3）： 16-18.
[6] 王晓东， 苟国庆. 轨道除雪车车架静强度分析及试验[J]. 铁道机车与动车， 2014（02）： 28-30.
[7] 李娅娜， 张宇婷， 韩肖. 某地铁车体静强度分析及试验验证[J]. 计算机辅助工程， 2016， 25（02）： 14-18.
[8] 吴丹， 李晋武. 高速转向架构架强度及模态分析研究[J]. 兰州交通大学学报， 2013， 32（1）： 161-163.
[9] 方凯. 铁道车辆车钩疲劳强度分析及试验台设计[D]. 成都： 西南交通大学， 2015.
[10] 刘贺. 重型轨道车体强度分析及底架结构优化设计[D]. 北京： 北京交通大学， 2017.
[11] 李世芸， 肖正明. 弹性力学及有限元[M]. 北京： 机械工业出版社， 2015.
[12] TB/T1335-1996. 铁道车辆强度设计及鉴定规范[S].
[13] 刘鸿文. 高等材料力学[M]. 北京： 高等教育出版社， 1985.