摘要：本文利用PERA SIM Mechanical通用結構仿真軟件完成了轉向架架構靜強度及模態分析仿真過程，從導入幾何模型開始，到網格劃分、材料指定、接觸創建、邊界及載荷施加，最終得到轉向架架構的位移、應力分布以及固有頻率、振型分布。

關鍵詞：轉向架架構；靜強度；固有頻率；振型

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引言

隨著鐵路運輸速度的不斷提高，作為列車重要組成部分的轉向架構架的運行條件也更加惡劣，其受到的振動頻率也不斷增大，人們對列車提速后安全性的關注度也越來越高。在列車的運行過程中，轉向架構架承受和傳遞來自各個方向的作用力，所以構架強度的好壞對列車的安全運行有著重要的影響。

本文基于PERA SIM Mechanical結構仿真軟件建立了轉向架架構靜強度和模態分析流程，獲得指定工況下的架構位移、應力分布以及固有頻率、振型分布。

問題描述

以某轉向架構架為研究對象，采用靜力學分析對構架強度進行校核，驗證其設計的合理性。為避免設計構架在列車運行時產生共振，導致結構失效，采用模態分析對構架計算其前六階固有頻率并獲得模態振型，以保證當前設計避開列車的共振頻率。

有限元模型的建立

1 模型建立

轉向架構架由兩個梯形結構和中間一根橫梁組成。為了加強結構強度，梯形結構上下梁之間有縱梁連接加固。橫梁與兩個梯形結構之間通過彈簧連接，梯形結構兩邊通過軸承與輪軸相連。

圖1 轉向架架構模型

2 網格劃分

為保證計算精度，整體模型單元大小設置為10mm，并使用一階單元（低階單元）進行計算來保證計算速度。網格劃分后，模型的單元數量為2632429。

圖2 整體網格模型

圖3局部網格模型

3 材料定義

轉向架構架材料參數如下：

表1 轉向架構架材料參數

4接觸設置

PERA SIM Mechanical可基于容差自動創建接觸域和接觸對，也支持用戶手動創建接觸關系。由于模型數量相對較少，本次采用手動的方式創建接觸對。為保證載荷的正確傳遞，將連接部分設置為綁定接觸。然后分別將三個部分設定為不同的接觸域，軟件會在不同接觸域之間識別接觸關系。最后根據不同的接觸域設定哪兩個接觸域之間創建接觸對。

圖4 基于接觸域的接觸對識別

圖5 接觸整體設置

5 邊界條件

在輪軸表面處設定完全固定支撐，限制其所有自由度。

6 載荷施加

根據實際工況，對結構施加垂向和橫向載荷，載荷數值分別為126536N和85376N。以節點載荷施加至相應位置。

計算結果分析

創建分析任務為靜力結構和模態分析，并指定載荷工況添加相應的約束條件及載荷。

圖6 分析任務及工況設置

計算得到的轉向架架構位移、應力分布、振型分布結果如下圖所示：

圖7 總體位移云圖

圖8 等效應力云圖

從后處理云圖可知，最大位移數值為7mm，最大等效應力數值為304Mpa，滿足設計需求。

圖9 一階模態振型

圖10 二階模態振型

圖11 三階模態振型

圖12 四階模態振型

圖13 五階模態振型

圖14 六階模態振型

表2 前6階固有頻率

通過查閱文獻可知，列車運行時外界的激振頻率通常是10Hz左右，構架的振動頻率高于10Hz時，能產生較好的避震效果。從表2數據可知，前6階固有頻率均大于10Hz，表明構架的剛度符合設計要求，同時有效地避免列車在軌道運行時與外界激勵頻率相近發生共振現象，有利于車輛正常平穩行駛。

結論

本文采用國產通用仿真軟件PERA SIM Mechanical對轉向架架構進行了有限元分析，得到了架構的位移、應力、固有頻率及模態振型，本文的工作對轉向架架構的設計具有一定的參考意義。

作者：安世亞太工程師 楊愛