張嘉鷺，馬 軍，竺亞升

（江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

轉(zhuǎn)向架作為高速動(dòng)車組的走行部，對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的穩(wěn)定性、平順性和安全性有著重要影響。構(gòu)架是其主要的承載部件，轉(zhuǎn)向架上的各個(gè)零部件均須安裝于構(gòu)架上并形成一個(gè)整體。因此，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架在服役過程中要求其構(gòu)架須具備足夠的強(qiáng)度，以確保列車行駛安全[1]。

目前，我國科技工作者在構(gòu)架強(qiáng)度及疲勞校核領(lǐng)域已進(jìn)行了一些研究。例如，梁紅琴等[2]以CRH2 動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對(duì)象，結(jié)合S-N 疲勞曲線進(jìn)行了較大應(yīng)力部位的疲勞壽命預(yù)測(cè)和可靠度評(píng)估；荊志勇等[3]依據(jù)國際鐵路聯(lián)盟規(guī)范UIC615-4 標(biāo)準(zhǔn)，校核了CRH5 型動(dòng)車組構(gòu)架的強(qiáng)度；馮遵委等[4]探究了超常工況和模擬運(yùn)營工況載荷條件下構(gòu)架的靜強(qiáng)度，并將構(gòu)架在不同工況下受到的靜、動(dòng)載荷相加，進(jìn)行了二次校核。

然而，現(xiàn)階段針對(duì)構(gòu)架的研究仍多以強(qiáng)度校核及疲勞分析為主，針對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少[5]。因此，本文借助有限元和虛擬仿真技術(shù)，采用ABAQUS、Hyperworks 等多種CAE 軟件，以應(yīng)用于CRH380A 型動(dòng)車組上的SKMB-200 型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對(duì)象，對(duì)其靜強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行仿真分析。

1 三維模型的基本處理

1.1 網(wǎng)格劃分

SKMB-200 型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由左右側(cè)梁、兩個(gè)橫梁和縱向連接梁焊接而成，構(gòu)架的主要承載構(gòu)件采用符合JISG3114 標(biāo)準(zhǔn)的SMA490BW 型耐候鋼材料，其他部位采用合金結(jié)構(gòu)鋼。限于篇幅，本文將SMA490BW 鋼的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)列出，如表1 所示。

表1 構(gòu)架材料屬性

本文參照SKMB-200 型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的幾何參數(shù)，在Solidworks 中建立其三維實(shí)體模型，如圖1 所示；然后，將模型存為IGES 格式并導(dǎo)入ABAQUS 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 SKMB-200 型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架三維模型

由于構(gòu)架形狀較為復(fù)雜，本文采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分與人工劃分相結(jié)合的方式，選用C3D10 類型和四面體形狀，將此模型共離散成43 013 個(gè)單元、72 071 個(gè)節(jié)點(diǎn)[6]。網(wǎng)格劃分后的模型如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分后的模型

1.2 設(shè)置約束

在設(shè)置約束時(shí)須充分考慮SKMB-200 型轉(zhuǎn)向架服役過程中的實(shí)際工況，本文添加的約束包括位移約束和彈性約束。在軸箱彈簧座和轉(zhuǎn)臂定位銷座處添加彈簧約束，設(shè)置軸箱彈簧座處的垂向剛度為1.244 kN/mm、橫向剛度和縱向剛度為0.98 kN/mm，轉(zhuǎn)臂定位銷座處的橫向剛度為5.49 kN/mm，在橫梁的牽引拉桿處添加縱向彈性約束。位移約束設(shè)置為4 個(gè)一系彈簧的相對(duì)于地面的位移約束。

2 靜強(qiáng)度載荷計(jì)算

2.1 載荷計(jì)算方法

在國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC615-4 中，關(guān)于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度載荷試驗(yàn)包括超常載荷實(shí)驗(yàn)和模擬運(yùn)營載荷實(shí)驗(yàn)。構(gòu)架受載示意圖如圖3 所示。在超常載荷及模擬運(yùn)營載荷中均包括垂向載荷、橫向載荷和斜對(duì)稱載荷[7]。

圖3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架受載示意圖

2.1.1 模擬運(yùn)營工況載荷計(jì)算

1）垂向載荷。

垂向載荷作用于構(gòu)架左右空氣彈簧支撐梁上，其計(jì)算公式如下：

式中：Fz為模擬運(yùn)營工況左側(cè)垂向載荷，N；g為重力加速度，取9.8 m/s2；mv為運(yùn)行階段空車質(zhì)量，取35 880 kg；C1為模擬運(yùn)營時(shí)乘客質(zhì)量，取19 200 kg；m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，取7 300 kg。

2）橫向載荷。

式中：Fy為模擬運(yùn)營工況下橫向載荷，N；Fz為模擬運(yùn)營工況下垂向載荷，N。

3）斜對(duì)稱載荷。

在模擬運(yùn)營工況下，需考慮軌道5‰扭曲產(chǎn)生的載荷。

2.1.2 超常工況載荷計(jì)算

1）垂向載荷。

式中：Fz1max為超常工況左側(cè)垂向最大載荷，N；Fz2max為超常工況右側(cè)垂向最大載荷，N；C2為超載時(shí)乘客質(zhì)量，取27 800 kg；nb為單個(gè)車廂下轉(zhuǎn)向架數(shù)量，取2。

2）橫向載荷。

式中：Fymax為超常工況下橫向載荷，N；ne為各轉(zhuǎn)向架的軸數(shù)，取2。

3）斜對(duì)稱載荷。

在超常工況下的斜對(duì)稱載荷，需考慮軌道1‰扭曲產(chǎn)生的載荷。

2.2 不同工況載荷計(jì)算

根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC615-4，可以得到15種不同的工況條件，包括2 種超常載荷條件和13 種模擬運(yùn)營工況載荷條件[8]。限于篇幅，本文選取5 種不同的工況進(jìn)行分析，其中工況1 至4 為模擬運(yùn)營工況，工況5 是超常載荷工況。

在載荷計(jì)算時(shí)還需將曲線運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的影響考慮進(jìn)去[9]。為了模擬車體滾動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)引起的垂直載荷的變化，取側(cè)滾系數(shù)α=0.1，浮沉系數(shù)β=0.2。

參照UIC615-4 標(biāo)準(zhǔn)，可得各工況載荷計(jì)算表，如表2 所示。結(jié)合2.1 節(jié)中的公式及相關(guān)數(shù)據(jù)，可依次計(jì)算出工況 1 至工況 5 的載荷，并以此確定ABAQUS 仿真所需的載荷數(shù)值。

表2 各工況載荷計(jì)算表

3 仿真結(jié)果與分析

SKMB-200 型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在不同工況載荷下的等效應(yīng)力分布云圖如圖4 所示。從工況1 的應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力位于側(cè)梁下蓋板圓孔位置處，為225.7 MPa；從工況2 的應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力值也位于側(cè)梁的下蓋板圓孔處，為209.0 MPa；從工況3 的應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫向止擋座與橫梁管連接處，為250.3 MPa；從工況4 的應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)梁下蓋板圓孔位置處，為196.2 MPa；從工況5 的應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫向止擋座與橫梁管連接處，為307.6 MPa。

已知構(gòu)架材料SMA490BW的屈服極限為355 MPa。從表3 中可以看出，在模擬運(yùn)營工況載荷下所能達(dá)到的最大應(yīng)力為250.3 MPa，在超常工況載荷下所能達(dá)到的最大應(yīng)力為307.6 MPa?？梢?，以上工況的最大應(yīng)力均小于構(gòu)架許用應(yīng)力，構(gòu)架靜強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度屈服現(xiàn)象。

表3 各工況的應(yīng)力最大值位置及其大小

圖4 構(gòu)架等效應(yīng)力分布云圖

4 構(gòu)架優(yōu)化

如前文所述，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料為SMA490BW 型耐候鋼，其許用應(yīng)力為355 MPa，而在靜強(qiáng)度仿真分析中得出的最大等效應(yīng)力為307.6 MPa，因此該構(gòu)架仍存在一定的結(jié)構(gòu)安全裕度，構(gòu)架可進(jìn)行一定程度的優(yōu)化[10]。本文選用前面分析中應(yīng)力值最大的超常工況載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

4.1 優(yōu)化前期處理

（1）設(shè)計(jì)變量。構(gòu)架是由板和實(shí)體組成的，其側(cè)梁是由上下蓋板和內(nèi)外側(cè)板組成，本文選用4 個(gè)板厚來作為設(shè)計(jì)變量，它們分別是側(cè)梁的上、下蓋板和內(nèi)、外側(cè)板。

（2）目標(biāo)函數(shù)。構(gòu)架的優(yōu)化分析是在保證構(gòu)架的強(qiáng)度滿足要求時(shí)，降低架構(gòu)質(zhì)量，因此構(gòu)架的質(zhì)量最小化就是本文的目標(biāo)函數(shù)[11]。

（3）約束條件。本文選用了國際鐵路聯(lián)盟構(gòu)架強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，要求構(gòu)架的最大應(yīng)力要小于材料許用應(yīng)力355 MPa?？紤]安全裕度，本文確定約束條件為最大等效應(yīng)力要小于330 MPa。

4.2 優(yōu)化分析過程

通過Hyperworks 軟件對(duì)模型再次進(jìn)行預(yù)處理，包括定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、添加載荷和約束等；并將模型被劃分為3 部分：優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域、非優(yōu)化區(qū)域、單元連接。優(yōu)化區(qū)域采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格（Shell），非優(yōu)化區(qū)域用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格（Solid），兩區(qū)域的連接通過焊點(diǎn)模擬（Spotweld）。進(jìn)而添加設(shè)計(jì)變量，設(shè)置上下蓋板的初值為27 mm、內(nèi)外側(cè)板的初值為20 mm，其上下限值如表4 所示；設(shè)計(jì)變量定義完成后，通過體積響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件。優(yōu)化結(jié)果如圖5 和6 所示。

表4 設(shè)計(jì)變量初值和上下限值

圖5 優(yōu)化后構(gòu)架厚度云圖

圖6 優(yōu)化后構(gòu)架等效應(yīng)力云圖

從仿真結(jié)果中可以看出，優(yōu)化后側(cè)梁上下蓋板的厚度變?yōu)?8 mm，內(nèi)外側(cè)板的厚度變?yōu)?0.5 mm，構(gòu)架總質(zhì)量減少109 kg，輕量化6.8%；優(yōu)化后最大等效應(yīng)力為329.98 MPa，仍滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)UIC615-4 標(biāo)準(zhǔn)，選取5 種載荷工況在ABAQUS 軟件中進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析，結(jié)果表明：在模擬運(yùn)營工況下構(gòu)架的最大應(yīng)力值分別為 225.7、209.0、250.3 和196.2 MPa，在超常載荷工況下構(gòu)架的最大應(yīng)力值為307.6 MPa。由于構(gòu)架主材料SMA490BW型耐候鋼的許用應(yīng)力為355 MPa，因此在以上工況中構(gòu)架的靜強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度屈服現(xiàn)象，且存在一定的結(jié)構(gòu)安全裕度。

（2）在Hyperworks 軟件中選取超常載荷工況對(duì)構(gòu)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，設(shè)置側(cè)梁上下蓋板和內(nèi)外側(cè)板的厚度為設(shè)計(jì)變量、最大等效應(yīng)力值為約束條件、構(gòu)架最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)。結(jié)果表明：優(yōu)化后側(cè)梁上下蓋板的厚度變?yōu)?8 mm，內(nèi)外側(cè)板的厚度變?yōu)?0.5 mm，總質(zhì)量減少109 kg，較優(yōu)化前降低6.8%；構(gòu)架最大等效應(yīng)力值為329.98 MPa，仍滿足其強(qiáng)度要求。

（3）通過對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，可有效降低SKMB-200 型轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量，進(jìn)而提升其動(dòng)力學(xué)性能，可為動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。