刘余龙_基于HyperMesh 的机车转向架构架静强度及疲劳强度分析
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2
Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
超常及运营载荷主要有： 超常工况垂向载荷 Fz max 、模拟运营垂向载荷 Fz ，作用于二系簧座； 超常工况横向载荷 Fy max 、模拟运营横向载荷 Fy ，作用于二系簧座及横向止档； 牵引电机和传动系统的静载荷 Fzdj ，作用于电机悬挂点； 电机额定转矩产生的的载荷 Fzn max 、 Fzn ，作用于电机悬挂点； 5‰轨道扭曲位移 h5 ，10‰轨道扭曲位移 h10 ，作用于在一系簧； 构架承受转向架 3g 冲击载荷 F3cj ，作用于牵引座。 根据标准 UIC 615-4，主要运营工况和超常工况的组合如表 2 所示。考虑车体侧滚及浮沉的影响，取 α =0.1，β =0.2。 表 2 工况组合 工 况 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 作用于侧梁上的垂向载荷 左侧梁 Fz (1+α -β )Fz (1+α -β )Fz (1+α +β )Fz (1+α +β )Fz (1-α -β )Fz (1-α -β )Fz (1-α +β )Fz (1-α +β )Fz (1+α -β )Fz (1-α +β )Fz Fzmax Fz Fz Fzmax 右侧梁 Fz (1-α -β )Fz (1-α -β )Fz (1-α +β )Fz (1-α +β )Fz (1+α -β )Fz (1+α -β )Fz (1+α +β )Fz (1+α +β )Fz (1-α -β )Fz (1+α +β )Fz Fzmax Fz Fz Fzmax 横向 载荷 0 0 FY 0 FY 0 -FY 0 -FY FY -FY FYmax 0 0 FYmax 纵向 载荷 0 Fx -Fx Fx -Fx -Fx Fx -Fx Fx -Fx Fx 0 3g 冲击 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5‰扭曲 5‰扭曲 0 0 0 10‰扭曲 +Fzdj + FzdjFzn - FzdjFzn + FzdjFzn - FzdjFzn - FzdjFzn + FzdjFzn - FzdjFzn + FzdjdFzn - FzdjFzn + FzdjFzn 0 0 +FzdjFznmax 0
( max min ) / 2
计算出的各点平均应力及应力幅值按 Goodman 疲劳极限图评定。 对于工况 1～11，将各节点平均应力及应力幅值计算结果放入 Goodman 图进行疲劳强度评估，构架各 节点疲劳强度评定结果见图 10 及图 11。可见构架上全部点都落在 Goodman 疲劳极限曲线内。计算结果表 明，构架主体结构和焊缝疲劳强度满足设计要求，并具有一定的强度储备。
5 参考文献
[1]鲍维千, 孙永才. 机车总体及转向架.中国铁道出版社[M].2010 [2]叶洪岩, 邬平波.转向架焊接构架静强度分析及疲劳强度评估[J]. 铁道机车车辆.2011(2),23.
Static and Fatigue Strength Analysis of Locomotive Bogie Frame
荷工况，然后利用 HyperMesh 与其他 CAE 软件求解器接口，把有限元模型导入求解器中求解各工况下的 应力，并进行校核，完成构架的静强度及疲劳强度分析。
关键词：HyperMesh 构架 静强度分析 疲劳强度分析
0 引言
转向架是机车的主要组成部分，它利用轮轨间的黏着保证牵引力的产生，保证机车顺利通过曲线并使 机车具有较好的运行平稳性和稳定性 。构架是转向架的骨架，是转向架其他零部件的安装基础，承受各 零部件所产生的载荷 。构架的受力状态非常复杂，为保证机车运行的安全性，有必要在转向架设计时对 构架进行强度评估。本文以某机车构架为研究对象，利用 Altair 公司的 HyperMesh 软件建立构架的有限 元模型，并进行有限元分析。
6
图 7 工况 14 BOT 面应力分布云图
图 8 工况 15 TOP 面应力分布云图
图 9 工况 15 BOT 面应力分布云图
3.2 疲劳强度计算结果分析
疲劳强度评定：选取构架中应力较大各点，取工况 1～11 下各点应力值σ max，及最小σ min，按下式 计算各点平均应力及应力幅值：
ave ( max min ) / 2
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Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
图 1 构架有限元模型
2 计算参数及载荷工况组合
在转向架构架的强度计算分析中，计算载荷和载荷工况参考《UIC615-4 动力转向架构架强度试验》 标准中规定的计算载荷和载荷工况实施。
2.1 计算参数
构架强度计算的基本参数见表 1。 表 1 构架计算参数 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 符号 描述 轴重 机车质量 转向架质量 轴距 每节机车转向架数量 每个转向架上轮对数量 电机装配质量 电机额定扭矩 电机短路扭矩 每轴轴箱一系垂向刚度 每轴轴箱一系横向刚度 每轴轴箱一系纵向刚度 数值 25000 100000 18000 2600 2 2 2150 5894 40000 910 5259 33759 单位 kg kg kg mm Kg N*m N*m N/mm N/mm N/mm
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Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
于材料的屈服极限 345MPa，构架静强度满足设计要求。 表 3 构架静强度计算结果 最大 von Mises 应力 工况 Top 面(Mpa) 12 96.603 314.324 266.178 96.504 Bot 面(Mpa) 94.264 298.384 238.984 94.134
Pu
Mv
Mb
la
Fra Baidu bibliotek
nb ne
Md
Me
Mt
k pz k py
k px
2.2 载荷工况组合
本文按照 UIC 615-4 标准，利用 HyperMesh 软件分别对构架有限元模型施加超常载荷和运营载荷，并 直接导入求解器中进行计算，根据应力计算结果，评估构架的静强度。其中超常载荷用于评定构架的静强 度，而运营载荷用于评价构架的疲劳强度。
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基于 HyperMesh 的机车转向架构架静强度及疲劳强度分析
刘余龙 陈晓峰 卜旦霞 南车株洲电力机车有限公司 株洲 412001
摘要：本文利用 HyperMesh 软件建立了构架的三维有限元模型，根据标准 UIC615-4 对构架施加各种载
[2] [1]
1 构架有限元模型
本文中讨论的机车构架的结构特点为端部牵引，框架为“日”字形结构，主要由 2 根侧梁 1 根横梁 1 根端梁及 1 根端部牵引梁组成，各梁皆为由钢板焊接而成的箱型焊接结构。中间横梁设有电机吊挂座。端 部牵引梁设有牵引座与牵引杆连接，给车体提供牵引力。 在构架设计时用三维软件建立构架的三维模型，然后导入到 HyperMesh 中，利用 HyperMesh 的抽中面 功能建立由面元素组成的构架模型。由于整个构架主要由钢板焊接而成，其长度和宽度远大于其厚度，因 此构架主要离散成壳单元，部分安装座离散成实体单元。最后离散出壳单元 78006 个，实体单元 4804 个， 节点 78466 个，构架有限元模型如图 1 所示。
Liu Yulong Chen Xiaofeng Bu danxia
Abstract：In this paper,the finite element model of a locomotive bogie frame is built by HyperMesh and the main load cases are applied on the model according to the international standard UIC 615-4.And then use the solver Interface to analysis the static and fatigue strength by CAE solver and completed the stress evaluation. Key words: HyperMesh Bogie Frame Static Strength Analysis Fatigue Strength Analysis
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Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
图 10 构架 TOP 面各节点 Goodman 图
图 11 构架 BOT 面各节点 Goodman 图
4 结束语
根据构架的结构特点，把构架离散成壳单元能显著减小计算的规模，并且不损失计算的精确性，利用 HyperMesh 软件的抽中面功能可以快速建立构架的壳单元模型。在 HyperMesh 软件中很方便对构架模型施 加组合工况载荷。HyperMesh 与其它工程软件具有良好的接口，使其运用范围非常广泛。
轨道扭曲
电机悬挂点载荷
3 计算结果及分析
3.1 静强度计算结果分析
静强度评定：对于工况 12～15，构架各点 Von Mises 应力均不得大于材料的屈服强度极限 345MPa。 构架静强度计算结果见表 3（TOP 面为构架模型各梁的外法线方向，以下计算结果中的壳单元的 Top 及 Bot 面应力以此取向而定） 。构架各工况 Von Mises 应力分布云图见图 2～图 9，从中可以看到，在工况 13 载荷作用下，最大应力值出现在牵引梁与侧梁交接处的下盖板圆弧处，最大应力值为 314.324Mpa，小
超 常 工 况
13 14 15
图 2 工况 12 TOP 面应力分布云图
图 3 工况 12 BOT 面应力分布云图
图 4 工况 13 TOP 面应力分布云图
图 5 工况 13 BOT 面应力分布云图
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图 6 工况 14 TOP 面应力分布云图
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超常及运营载荷主要有： 超常工况垂向载荷 Fz max 、模拟运营垂向载荷 Fz ，作用于二系簧座； 超常工况横向载荷 Fy max 、模拟运营横向载荷 Fy ，作用于二系簧座及横向止档； 牵引电机和传动系统的静载荷 Fzdj ，作用于电机悬挂点； 电机额定转矩产生的的载荷 Fzn max 、 Fzn ，作用于电机悬挂点； 5‰轨道扭曲位移 h5 ，10‰轨道扭曲位移 h10 ，作用于在一系簧； 构架承受转向架 3g 冲击载荷 F3cj ，作用于牵引座。 根据标准 UIC 615-4，主要运营工况和超常工况的组合如表 2 所示。考虑车体侧滚及浮沉的影响，取 α =0.1，β =0.2。 表 2 工况组合 工 况 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 作用于侧梁上的垂向载荷 左侧梁 Fz (1+α -β )Fz (1+α -β )Fz (1+α +β )Fz (1+α +β )Fz (1-α -β )Fz (1-α -β )Fz (1-α +β )Fz (1-α +β )Fz (1+α -β )Fz (1-α +β )Fz Fzmax Fz Fz Fzmax 右侧梁 Fz (1-α -β )Fz (1-α -β )Fz (1-α +β )Fz (1-α +β )Fz (1+α -β )Fz (1+α -β )Fz (1+α +β )Fz (1+α +β )Fz (1-α -β )Fz (1+α +β )Fz Fzmax Fz Fz Fzmax 横向 载荷 0 0 FY 0 FY 0 -FY 0 -FY FY -FY FYmax 0 0 FYmax 纵向 载荷 0 Fx -Fx Fx -Fx -Fx Fx -Fx Fx -Fx Fx 0 3g 冲击 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5‰扭曲 5‰扭曲 0 0 0 10‰扭曲 +Fzdj + FzdjFzn - FzdjFzn + FzdjFzn - FzdjFzn - FzdjFzn + FzdjFzn - FzdjFzn + FzdjdFzn - FzdjFzn + FzdjFzn 0 0 +FzdjFznmax 0
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计算出的各点平均应力及应力幅值按 Goodman 疲劳极限图评定。 对于工况 1～11，将各节点平均应力及应力幅值计算结果放入 Goodman 图进行疲劳强度评估，构架各 节点疲劳强度评定结果见图 10 及图 11。可见构架上全部点都落在 Goodman 疲劳极限曲线内。计算结果表 明，构架主体结构和焊缝疲劳强度满足设计要求，并具有一定的强度储备。
5 参考文献
[1]鲍维千, 孙永才. 机车总体及转向架.中国铁道出版社[M].2010 [2]叶洪岩, 邬平波.转向架焊接构架静强度分析及疲劳强度评估[J]. 铁道机车车辆.2011(2),23.
Static and Fatigue Strength Analysis of Locomotive Bogie Frame
荷工况，然后利用 HyperMesh 与其他 CAE 软件求解器接口，把有限元模型导入求解器中求解各工况下的 应力，并进行校核，完成构架的静强度及疲劳强度分析。
关键词：HyperMesh 构架 静强度分析 疲劳强度分析
0 引言
转向架是机车的主要组成部分，它利用轮轨间的黏着保证牵引力的产生，保证机车顺利通过曲线并使 机车具有较好的运行平稳性和稳定性 。构架是转向架的骨架，是转向架其他零部件的安装基础，承受各 零部件所产生的载荷 。构架的受力状态非常复杂，为保证机车运行的安全性，有必要在转向架设计时对 构架进行强度评估。本文以某机车构架为研究对象，利用 Altair 公司的 HyperMesh 软件建立构架的有限 元模型，并进行有限元分析。
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图 7 工况 14 BOT 面应力分布云图
图 8 工况 15 TOP 面应力分布云图
图 9 工况 15 BOT 面应力分布云图
3.2 疲劳强度计算结果分析
疲劳强度评定：选取构架中应力较大各点，取工况 1～11 下各点应力值σ max，及最小σ min，按下式 计算各点平均应力及应力幅值：
ave ( max min ) / 2
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图 1 构架有限元模型
2 计算参数及载荷工况组合
在转向架构架的强度计算分析中，计算载荷和载荷工况参考《UIC615-4 动力转向架构架强度试验》 标准中规定的计算载荷和载荷工况实施。
2.1 计算参数
构架强度计算的基本参数见表 1。 表 1 构架计算参数 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 符号 描述 轴重 机车质量 转向架质量 轴距 每节机车转向架数量 每个转向架上轮对数量 电机装配质量 电机额定扭矩 电机短路扭矩 每轴轴箱一系垂向刚度 每轴轴箱一系横向刚度 每轴轴箱一系纵向刚度 数值 25000 100000 18000 2600 2 2 2150 5894 40000 910 5259 33759 单位 kg kg kg mm Kg N*m N*m N/mm N/mm N/mm
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于材料的屈服极限 345MPa，构架静强度满足设计要求。 表 3 构架静强度计算结果 最大 von Mises 应力 工况 Top 面(Mpa) 12 96.603 314.324 266.178 96.504 Bot 面(Mpa) 94.264 298.384 238.984 94.134
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2.2 载荷工况组合
本文按照 UIC 615-4 标准，利用 HyperMesh 软件分别对构架有限元模型施加超常载荷和运营载荷，并 直接导入求解器中进行计算，根据应力计算结果，评估构架的静强度。其中超常载荷用于评定构架的静强 度，而运营载荷用于评价构架的疲劳强度。
Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
基于 HyperMesh 的机车转向架构架静强度及疲劳强度分析
刘余龙 陈晓峰 卜旦霞 南车株洲电力机车有限公司 株洲 412001
摘要：本文利用 HyperMesh 软件建立了构架的三维有限元模型，根据标准 UIC615-4 对构架施加各种载
[2] [1]
1 构架有限元模型
本文中讨论的机车构架的结构特点为端部牵引，框架为“日”字形结构，主要由 2 根侧梁 1 根横梁 1 根端梁及 1 根端部牵引梁组成，各梁皆为由钢板焊接而成的箱型焊接结构。中间横梁设有电机吊挂座。端 部牵引梁设有牵引座与牵引杆连接，给车体提供牵引力。 在构架设计时用三维软件建立构架的三维模型，然后导入到 HyperMesh 中，利用 HyperMesh 的抽中面 功能建立由面元素组成的构架模型。由于整个构架主要由钢板焊接而成，其长度和宽度远大于其厚度，因 此构架主要离散成壳单元，部分安装座离散成实体单元。最后离散出壳单元 78006 个，实体单元 4804 个， 节点 78466 个，构架有限元模型如图 1 所示。
Liu Yulong Chen Xiaofeng Bu danxia
Abstract：In this paper,the finite element model of a locomotive bogie frame is built by HyperMesh and the main load cases are applied on the model according to the international standard UIC 615-4.And then use the solver Interface to analysis the static and fatigue strength by CAE solver and completed the stress evaluation. Key words: HyperMesh Bogie Frame Static Strength Analysis Fatigue Strength Analysis
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图 10 构架 TOP 面各节点 Goodman 图
图 11 构架 BOT 面各节点 Goodman 图
4 结束语
根据构架的结构特点，把构架离散成壳单元能显著减小计算的规模，并且不损失计算的精确性，利用 HyperMesh 软件的抽中面功能可以快速建立构架的壳单元模型。在 HyperMesh 软件中很方便对构架模型施 加组合工况载荷。HyperMesh 与其它工程软件具有良好的接口，使其运用范围非常广泛。
轨道扭曲
电机悬挂点载荷
3 计算结果及分析
3.1 静强度计算结果分析
静强度评定：对于工况 12～15，构架各点 Von Mises 应力均不得大于材料的屈服强度极限 345MPa。 构架静强度计算结果见表 3（TOP 面为构架模型各梁的外法线方向，以下计算结果中的壳单元的 Top 及 Bot 面应力以此取向而定） 。构架各工况 Von Mises 应力分布云图见图 2～图 9，从中可以看到，在工况 13 载荷作用下，最大应力值出现在牵引梁与侧梁交接处的下盖板圆弧处，最大应力值为 314.324Mpa，小
超 常 工 况
13 14 15
图 2 工况 12 TOP 面应力分布云图
图 3 工况 12 BOT 面应力分布云图
图 4 工况 13 TOP 面应力分布云图
图 5 工况 13 BOT 面应力分布云图
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