摘 要：随着经济发展，高速动车组得到社会各界广泛关注。转向架是高速列车最关键的部件之一，文章对转向架安装结构进行了研究。利用Hypermesh软件对转向架安装结构模型进行网格划分，参照EN 12663-1：2010标准，利用仿真分析软件ANSYS对枕梁及边梁连接螺栓以及连接部件强度进行有限元分析，得出所有连接部件受力均小于材料的屈服强度的结论。
关键词：转向架;螺栓;仿真分析
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）23-0167-03
Simulation Analysis of Bogie Installation Strength Based on ANSYS
CHEN Jing
（Changchun College of Electronic Technology， Changchun 130012， China）
Abstract：
With the development of economy， the high-speed EMU has received extensive attention from all walks of life. Bogie is one of the most critical components of high-speed train. This paper studies the installation structure of bogie. Use Hypermesh software to mesh the bogie installation structure model. According to EN 12663-1：2010 standard， the finite element analysis on the strength of connecting bolts and connecting parts of sleeper beam and side beam is conducted by using the simulation analysis software ANSYS， and it is concluded that the stress of all connecting parts is less than the yield strength of the material.
Keywords：
bogie; bolt; simulation analysis
0 引 言
随着我国经济建设的蓬勃发展，交通运输业得到了迅速的发展。高速动车组高效可靠、方便快捷、安全性能高、舒适性能好，得到社会各界广泛关注。转向架作为高速列车最重要的部件之一，担负着整个列车承载、定位、牵引及制动等作用，引导车辆沿既定轨道行使，并在运行过程中受到来自各方向的交变载荷，对列车安全性能和动力学性能至关重要[1-3]。本文建立了转向架安装结构有限元模型，并利用仿真分析软件ANSYS对其强度进行有限元分析，依据EN 12663-1：2010《铁路应用-铁道车辆车体的结构要求》标准的要求，对枕梁及边梁连接螺栓以及相应连接部件进行强度校核，对其安装结构的设计具有指导意义。
1 转向架安装结构介绍
动车组枕梁连接车体与转向架，承受车体垂向载荷以及车钩纵向载荷。枕梁利用螺栓、滑块安装于底架边梁上，枕梁材料牌号为铸铝101A，底架边梁由铝合金型材构成，垫板材质为5083-H111，安装滑块材质为S355NL，各部件的材料性能参数如表1所示。枕梁由6个M30螺栓和2个M24螺栓与车体底架边梁相连接，枕梁与边梁之间安装有垫板，边梁滑槽内设置安装滑块。螺栓相应参数如表2所示。
2 有限元模型建立
有限元法是由力学和计算机技术结合发展起来的一种进行工程结构问题分析的数值计算方法，利用最小势能原理，将离散的连续求解区域从研究对象中分离出来，形成以某种方式相互连接的有限个单元的组合，可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统[4]。
利用Hypermesh 14.0软件对转向架安装结构几何模型进行前处理，对模型进行几何处理以及网格划分。Hypermesh是一个高效的有限元前后处理器，划分网格功能十分强大，可以直接导入已有的三维CAD模型，能够建立各种复杂的有限元模型，然后将得到的网格进行质量检查以及力与约束的加载。并且利用该软件划分网格后可以直接导入ANSYS软件进行有限元分析。
将模型离散为有限元网格，模型主要由四节点薄壳shell单元与六面体实体solid单元构成。根据车体实际运行情况，建立如下坐标系，X轴为车辆运行的方向纵向，Y轴为横向垂直行车方向，Z轴垂直于轨面，为上下垂直行车方向。枕梁、边梁、垫板、安装螺栓以及安装滑块为solid实体单元，车体底架以及其它部件离散为四节点薄壳单元。采用实体单元对螺栓进行模拟，符合螺栓的真实情况。本计算针对安装结构进行强度分析，转向架重量以质量元mass点形式来模拟施加在其重心位置。对整个计算有贡献的结构都予以考虑，为使计算更加准确，安装区域网格划分更为细化，从而能够精细分析，并对影响有限元计算的圆角、倒角、小孔等部位进行几何清理。整个结构的有限元模型包括532 786个单元和749 624个节点，结构的有限元模型見图1。
在进行仿真分析时，需要设置约束条件，从而进行求解。约束保持与实际相一致，并进行一定简化，保证设定的模型边界条件与实际工况相符合。
3 静强度分析
3.1 螺纹联接强度计算
螺栓在安装时，受到预紧力F0作用，即在承受工作载荷之前，通过扭矩扳手扭紧，使得预紧力加载在螺栓轴向方向上。可增强联接的可靠性和紧密性，防止受载后被联接件发生相对滑移。
当承受轴向工作载荷F后，由于螺栓和被联接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力不等于预紧力F0和工作拉力F之和，而是与预紧力、工作拉力、螺栓刚度Cb和被联接件的刚度Cm有关。当应变在弹性变形范围内，各零件受力可根据静力平衡和变形协调条件进行分析[5]。螺栓的总拉力F2等于预紧力加上部分工作载荷，即：
其中，Cb/Cb+Cm为螺栓的相对刚度，与螺栓及被联接件的材料、结构尺寸、垫片以及工作载荷的作用位置等相关因素有关，值在0-1之间。当垫片为金属垫片或无垫片时，相对刚度值在0.2到0.3之间;当采用皮革垫片时，相对刚度值为0.7;当采用橡胶垫片时，相对刚度值为0.9。为降低螺栓受力，提高螺栓联接的承载能力，应使螺栓相对刚度值尽量小[6]。本结构螺栓安装之间采用金属垫片进行连接，螺栓相对刚度值设定为0.3。螺栓预紧力值大小与紧固力矩T有关，即：
其中d为螺栓直径，K为拧紧力系数，本次计算取0.2。
本次计算M30螺栓紧固力矩选为900 NM，M24螺栓紧固力矩为450 NM。计算得到螺栓预紧力分别为150 000 N和93 750 N，在ANSYS软件中建立预紧单元并施加预紧力，进行仿真分析。
3.2 计算工况
参照EN 12663-1：2010《铁路应用-铁道车辆车体的结构要求》标准并结合实际运行情况，对枕梁与边梁连接螺栓强度仿真分析工况进行规定，设定工况如下：横向载荷工况为考虑自身重力情况下，对转向架施加横向1 g/-1 g的加速度;纵向载荷工况为考虑自身重力情况下，对转向架施加纵向3 g/-3 g的加速度;垂向冲击载荷工况为给转向架施加3 g的垂向加速度。自重施加于整体模型，其余加速度施加于转向架重心，具体计算工况如表3所示。约束条件根据不同载荷工况具体确定。
3.3 接触设置
接触问题是非线性分析，利用ANSYS软件可对接触问题进行计算。考虑刚体—柔体的面—面接触，采用Targe169和Targe170单元来模拟刚性目标面，采用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174单元来模拟柔性接触面，建立接触对[7]。
在建立转向架安装结构的实体模型后，采用接触对定义枕梁、边梁、螺栓、垫板以及安装滑块之间的相互作用关系，从而保证计算结果的准确性。枕梁与边梁之间安装有垫板，故在垫板与枕梁之间、垫板与边梁之间设置接触;边梁滑槽内设置安装滑块，故在滑块与边梁之间设置接触;利用垫片、螺母进行紧固，故在垫片与枕梁之间设置接触，并设置摩擦系数值为0.15。
4 计算结果分析
利用仿真分析软件ANSYS 16.2进行分析，ANSYS是一个多用途的大型通用计算机辅助分析软件，广泛应用于机械工程、汽车行业、铁路交通等领域，可提供多种求解器进行静力、动力分析、热分析、流体分析、电磁场分析，能够求解结构、流体、电力、磁场等问题，后处理功能十分强大。
校核转向架安装部分的结构强度及连接位置螺栓强度，对安装螺栓、底架边梁、垫板、安装滑块强度进行评估，根据有限元模型及各工况要求，对结构进行非线性接触分析求解计算，得到各种工况条件下各考察部位的Von-Mises应力分布，具体应力结果如下所示：
M30螺栓最大Von-Mises应力为268.947 MPa，小于屈服强度640 MPa，安全系数为2.38，发生在第三工况，应力云图如图2所示。最大应力出现在螺杆根部位置，螺栓强度满足设计要求。
M24螺栓最大Von-mises应力为257.389 MPa，小于屈服强度640 MPa，安全系数为2.49，发生在第四工况，应力云图如图3所示。最大应力出现在螺杆根部位置，螺栓强度满足设计要求。
其余连接部件底架边梁最大应力为93.772 MPa，小于屈服强度200 MPa，安全系数为2.13;垫板最大应力为57.375 MPa，小于屈服强度125 MPa，安全系数为2.18;安装滑块最大应力为168.25 MPa，小于屈服强度335 MPa，安全系数为1.99。各连接部件静强度满足设计要求。
5 结 论
本文基于ANSYS有限元分析软件，依据EN 12663-1：2010《铁路应用-铁道车辆车体的结构要求》标准，结合车辆实际运行情况，对某型号动车组转向架安装结构进行强度分析，评估枕梁部分的结构强度及连接位置螺栓强度，得出所有连接部件受力均小于材料的屈服强度，滿足设计要求的结论。
参考文献：
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作者简介：陈静（1984—），女，汉族，吉林延吉人，副教授，机械设计及理论硕士，研究方向：机械设计制造及其自动化。
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