基于有限元法的货车焊接构架强度分析

基于有限元法的货车焊接构架强度分析

作者：杜彩霞

来源：《中国科技纵横》2015年第13期

【摘 要】货车焊接构架是货车转向架的重要零部件之一，是转向架其他零部件的安装基础。转向架在线路运行中，焊接构架承受并传递着运行过程中的各种垂向、横向和纵向载荷，从而使其疲劳问题更加突出。通过对焊接构架静强度和疲劳应力进行有限元分析，确定出货车焊接构架静强度与疲劳强度的应力云图，在此基础上，对其进行了疲劳强度的校核。与试验结果进行对比表明，出口委内瑞拉焊接构架的强度满足AAR-M213-8V的要求。 【关键词】货车 焊接构架 有限元 静强度 疲劳强度 1 引言

目前，我国主要干线的提速列车已经全面开行，但由于在提速转向架的研制过程中，主要采用以安全系数保障强度裕度的定值方法，焊接构架存在着静强度富裕，疲劳强度不足，设计阶段不能预测疲劳寿命和没有疲劳可靠性指标等问题。因此，转向架的疲劳问题时有发生，严重危及行车安全。为此，本文在按其所受载荷工况分析的基础上，对出口委内瑞拉焊接构架静强度进行了有限元分析和疲劳强度校核。 2 构架载荷工况的确定 2.1 基本载荷

根据构架的受力情况，并参照TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》（以下简称《规范》），计算载荷分为4种[2]，即：垂向总载荷P、侧向力引起的垂向附加载荷Pn、水平载荷H、垂直斜对称载荷PK。根据出口委内瑞拉转向架技术参数求得构架基本载荷如表1所示：

表1 构架基本载荷一览表

工况号 载荷值kN 载荷方向 作用位置 垂向总载荷P 458.7 垂向 心盘 垂直斜对称载荷Pk 22.86 垂向 心盘 垂直附加载荷Pn 59.2 垂向 左侧旁承 水平力H 106.8 横向向内 心盘边缘

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2.2 载荷工况的确定

根据TB/T1335-1996规定构架静强度计算有以下5种载荷工况见表2。 表2 静强度计算载荷工况一览表

工况号 垂向总载荷 垂直斜对称载荷 垂直附加载荷 水平力 1 P - - - 2 P Pk - - 3 - - Pn - 4 - - - H 5 P Pk Pn H

3 构架静强度有限元分析 3.1 构架有限元模型建立

（1）网格划分；根据构架实体特点，在有限元结构离散[3]时，为简化模型以及计算的准确性，略掉其上焊接的闸瓦托吊座，制动杠杆支座等零件，并对这些零件做单独的有限元分析，对导框体也进行了简化。有限元分析采用实体单元solid45。共划分为37375个实体单元，121个节点，其离散模型如图1所示： 图1 构架离散图

（2）边界条件；根据构架受力特点及实际约束情况[4]，在构架四个弹簧安装座下施加弹性约束，在轴箱导框体上施加水平约束。在构架横梁的心盘座和旁承座处施加垂向总载荷（每个旁承分担的载荷为15.696kN），垂向斜对称载荷通过在1、4位或2、3位支座施加10mm强迫位移来实现，在构架横梁的心盘座边缘施加水平力。 3.2 结果分析

构架在各载荷工况下出现的最大当量应力、位置见表3。其中出现较大当量应力的工况1及工况2，其应力云图如图2、3所示： 表3 构架静强度最大应力 载荷工况 von Mises（Mpa） 位置

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工况1 205 心盘中心 工况2 210 侧梁腹板拐角处 工况3 24.2 侧梁与横梁连接处 工况4 40.4 侧梁与横梁连接处 工况5 174 侧梁与横梁连接处

构架的钢板采用低合金钢16Mn，其许用应力为216MPa。由表3.6中的有限元分析结果可见，在各载荷工况下的最大当量应力均小于许用应力，可见构架的静强度合格。 图2 工况1应力云图 图3 工况2应力云图 4 构架的疲劳分析 4.1 理论依据

参照文献[1]，由Goodmann线推导可得，零件的疲劳强度校核公式为： （1）

式中：为零件的当量应力；为零件的平均应力；为零件对称循环时的许用疲劳极限；为动荷系数。 4.2 强度校核

由构架的有限元分析结果可得其应力最大的危险点为心盘中心处。该点的最大应力为，最小应力为。经计算得到，，，。查相关文献[1] ，代入式（1）得构架非焊缝区心盘最大应力处的当量应力为。

由参考文献[3]查得16Mn钢材料对称循环时的缺口疲劳极限为145.5MPa；取[n]=1.5则对称循环时的许用疲劳极限为=97.0MPa。 可见，，构架的疲劳强度合格。 5 结语

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通过对焊接构架进行受力分析，利用有限元法对其进行了有限元分析和疲劳强度评定与疲劳寿命预测。在此基础上，将有限元计算结果与实验结果进行对比，分析结果表明：出口委内瑞拉货车焊接构架静强度与疲劳强度合格。出口委内瑞拉的货车转向架焊接构架静强度和疲劳强度满足有关标准要求，且具有较好的动态特性，该构架结构设计合理。 参考文献：

[1] 徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1988. [2] 严隽髦.车辆工程[M].北京：中国铁道出版，1999.

[3] 秦国栋，刘志明.地铁车辆转向架构架强度分析[J].中国铁道科学，2004（2）：1. [4] 张锁怀，李永春，孙军帅.地铁车辆转向架构架有限元强度计算与分析[J].机械设计与制造，2009（3）：1.

[5] 卢耀辉，冯振，陈天利.铁道车辆转向架构架多轴疲劳强度有限元分析方法[J].北京交通大学学报，2014（7）：4.

作者简介：杜彩霞（1979—），女，甘肃环县人，讲师，现就职于重庆铁路运输技师学院。

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