SKMB-200 型轉向架構架強度與結構優化仿真分析

張嘉鷺，馬 軍，竺亞升

（江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221008）

轉向架作為高速動車組的走行部，對動車組運行的穩定性、平順性和安全性有著重要影響。構架是其主要的承載部件，轉向架上的各個零部件均須安裝于構架上并形成一個整體。因此，動車組轉向架在服役過程中要求其構架須具備足夠的強度，以確保列車行駛安全[1]。

目前，我國科技工作者在構架強度及疲勞校核領域已進行了一些研究。例如，梁紅琴等[2]以CRH2 動車組轉向架構架為研究對象，結合S-N 疲勞曲線進行了較大應力部位的疲勞壽命預測和可靠度評估；荊志勇等[3]依據國際鐵路聯盟規范UIC615-4 標準，校核了CRH5 型動車組構架的強度；馮遵委等[4]探究了超常工況和模擬運營工況載荷條件下構架的靜強度，并將構架在不同工況下受到的靜、動載荷相加，進行了二次校核。

然而，現階段針對構架的研究仍多以強度校核及疲勞分析為主，針對其優化設計的研究相對較少[5]。因此，本文借助有限元和虛擬仿真技術，采用ABAQUS、Hyperworks 等多種CAE 軟件，以應用于CRH380A 型動車組上的SKMB-200 型動力轉向架構架為研究對象，對其靜強度和結構優化進行仿真分析。

1 三維模型的基本處理

1.1 網格劃分

SKMB-200 型轉向架構架主要由左右側梁、兩個橫梁和縱向連接梁焊接而成，構架的主要承載構件采用符合JISG3114 標準的SMA490BW 型耐候鋼材料，其他部位采用合金結構鋼。限于篇幅，本文將SMA490BW 鋼的彈性模量、密度、泊松比等參數列出，如表1 所示。

表1 構架材料屬性

本文參照SKMB-200 型轉向架構架的幾何參數，在Solidworks 中建立其三維實體模型，如圖1 所示；然后，將模型存為IGES 格式并導入ABAQUS 軟件中進行網格劃分。

圖1 SKMB-200 型轉向架構架三維模型

由于構架形狀較為復雜，本文采用自動網格劃分與人工劃分相結合的方式，選用C3D10 類型和四面體形狀，將此模型共離散成43 013 個單元、72 071 個節點[6]。網格劃分后的模型如圖2 所示。

圖2 網格劃分后的模型

1.2 設置約束

在設置約束時須充分考慮SKMB-200 型轉向架服役過程中的實際工況，本文添加的約束包括位移約束和彈性約束。在軸箱彈簧座和轉臂定位銷座處添加彈簧約束，設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。位移約束設置為4 個一系彈簧的相對于地面的位移約束。

2 靜強度載荷計算

2.1 載荷計算方法

在國際鐵路聯盟標準UIC615-4 中，關于轉向架構架的靜強度載荷試驗包括超常載荷實驗和模擬運營載荷實驗。構架受載示意圖如圖3 所示。在超常載荷及模擬運營載荷中均包括垂向載荷、橫向載荷和斜對稱載荷[7]。

圖3 轉向架構架受載示意圖

2.1.1 模擬運營工況載荷計算

1）垂向載荷。

垂向載荷作用于構架左右空氣彈簧支撐梁上，其計算公式如下：

式中：Fz為模擬運營工況左側垂向載荷，N；g為重力加速度，取9.8 m/s2；mv為運行階段空車質量，取35 880 kg；C1為模擬運營時乘客質量，取19 200 kg；m+為轉向架質量，取7 300 kg。

2）橫向載荷。

式中：Fy為模擬運營工況下橫向載荷，N；Fz為模擬運營工況下垂向載荷，N。

3）斜對稱載荷。

在模擬運營工況下，需考慮軌道5‰扭曲產生的載荷。

2.1.2 超常工況載荷計算

1）垂向載荷。

式中：Fz1max為超常工況左側垂向最大載荷，N；Fz2max為超常工況右側垂向最大載荷，N；C2為超載時乘客質量，取27 800 kg；nb為單個車廂下轉向架數量，取2。

2）橫向載荷。

式中：Fymax為超常工況下橫向載荷，N；ne為各轉向架的軸數，取2。

3）斜對稱載荷。

在超常工況下的斜對稱載荷，需考慮軌道1‰扭曲產生的載荷。

2.2 不同工況載荷計算

根據國際鐵路聯盟標準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 種模擬運營工況載荷條件[8]。限于篇幅，本文選取5 種不同的工況進行分析，其中工況1 至4 為模擬運營工況，工況5 是超常載荷工況。

在載荷計算時還需將曲線運動對轉向架產生的影響考慮進去[9]。為了模擬車體滾動和垂直運動引起的垂直載荷的變化，取側滾系數α=0.1，浮沉系數β=0.2。

參照UIC615-4 標準，可得各工況載荷計算表，如表2 所示。結合2.1 節中的公式及相關數據，可依次計算出工況 1 至工況 5 的載荷，并以此確定ABAQUS 仿真所需的載荷數值。

表2 各工況載荷計算表

3 仿真結果與分析

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

已知構架材料SMA490BW的屈服極限為355 MPa。從表3 中可以看出，在模擬運營工況載荷下所能達到的最大應力為250.3 MPa，在超常工況載荷下所能達到的最大應力為307.6 MPa?？梢?，以上工況的最大應力均小于構架許用應力，構架靜強度符合標準，不會發生強度屈服現象。

表3 各工況的應力最大值位置及其大小

圖4 構架等效應力分布云圖

4 構架優化

如前文所述，轉向架構架材料為SMA490BW 型耐候鋼，其許用應力為355 MPa，而在靜強度仿真分析中得出的最大等效應力為307.6 MPa，因此該構架仍存在一定的結構安全裕度，構架可進行一定程度的優化[10]。本文選用前面分析中應力值最大的超常工況載荷進行結構優化分析。

4.1 優化前期處理

（1）設計變量。構架是由板和實體組成的，其側梁是由上下蓋板和內外側板組成，本文選用4 個板厚來作為設計變量，它們分別是側梁的上、下蓋板和內、外側板。

（2）目標函數。構架的優化分析是在保證構架的強度滿足要求時，降低架構質量，因此構架的質量最小化就是本文的目標函數[11]。

（3）約束條件。本文選用了國際鐵路聯盟構架強度標準，要求構架的最大應力要小于材料許用應力355 MPa?？紤]安全裕度，本文確定約束條件為最大等效應力要小于330 MPa。

4.2 優化分析過程

通過Hyperworks 軟件對模型再次進行預處理，包括定義材料屬性、劃分網格、添加載荷和約束等；并將模型被劃分為3 部分：優化設計區域、非優化區域、單元連接。優化區域采用殼單元劃分網格（Shell），非優化區域用實體單元劃分網格（Solid），兩區域的連接通過焊點模擬（Spotweld）。進而添加設計變量，設置上下蓋板的初值為27 mm、內外側板的初值為20 mm，其上下限值如表4 所示；設計變量定義完成后，通過體積響應和應力響應定義目標函數和約束條件。優化結果如圖5 和6 所示。

表4 設計變量初值和上下限值

圖5 優化后構架厚度云圖

圖6 優化后構架等效應力云圖

從仿真結果中可以看出，優化后側梁上下蓋板的厚度變為18 mm，內外側板的厚度變為20.5 mm，構架總質量減少109 kg，輕量化6.8%；優化后最大等效應力為329.98 MPa，仍滿足強度要求。

5 結論

（1）根據UIC615-4 標準，選取5 種載荷工況在ABAQUS 軟件中進行靜強度仿真分析，結果表明：在模擬運營工況下構架的最大應力值分別為 225.7、209.0、250.3 和196.2 MPa，在超常載荷工況下構架的最大應力值為307.6 MPa。由于構架主材料SMA490BW型耐候鋼的許用應力為355 MPa，因此在以上工況中構架的靜強度符合標準要求，不會發生強度屈服現象，且存在一定的結構安全裕度。

（2）在Hyperworks 軟件中選取超常載荷工況對構架進行結構優化分析，設置側梁上下蓋板和內外側板的厚度為設計變量、最大等效應力值為約束條件、構架最小質量為目標函數。結果表明：優化后側梁上下蓋板的厚度變為18 mm，內外側板的厚度變為20.5 mm，總質量減少109 kg，較優化前降低6.8%；構架最大等效應力值為329.98 MPa，仍滿足其強度要求。

（3）通過對構架結構參數的優化，可有效降低SKMB-200 型轉向架的簧下質量，進而提升其動力學性能，可為動車組轉向架設計與結構優化提供參考。