机车转向架构架强度的有限元分析

机车转向架构架强度的有限元分析

针对一个转向架构架实例，利用有限元分析软件MSC／PATRAN和MSC／NASTRAN，建立了有限元网格模型。通过各种工况下栽荷的施加，对此构架 强度进行了有限元模拟分析的详细介绍，根据分析结果得到此构架强度符合要求的结论。以此介绍应用有限元分析软件MSC／PATRAN和 MSC／NASTRAN对转向架构架强度可靠性评价的方法。

构架是机车转向架最关键的零部件之一，也是转向架其它各零部件的安装基础，在机车的牵引运行中起传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的作用，因此，机车转 向架构架的可靠性对机车的性能和安全性有重大影响。传统的转向架构架强度的可靠性评价大多通过物理样机的某些试验，再通过金属探伤、磁电探伤等方法来检 验…，成本高，开发周期长。所以，使用有限元的理论对转向架构架建模，并利用有限元分析软件对其进行应力分析和强度计算来确保机车转向架构架的可靠性有重 大意义，本文在此进行了尝试。目前，国外几家著名的公司研制的有限元分析软件如MSC、ANSYS、I-DEARS等在国内许多设计中得到了较为广泛的应用。MsC公司提供的有限元软 件在有限元建模、结构分析(静态、瞬态动力学)、热、电磁场、流体问题等及其耦合问题、接触、强非线性、碰撞等方面都有独到的处理方法，本文详细介绍了其 中的前后处理软件MSC／PATRAN和结构分析软件MSC／NASTRAN在机车转向架构架强度计算与分析中的应用。

1、有限元强度计算模型的建立

机车转向架构架一般为箱型梁结构，有限元计算模型可以采用薄板单元按照设计图纸上的实际尺寸建模，并根据构架各部分是否承受载荷确定网格的疏密程度，在 MSC／PATRAN软件中生成有限元计算网格模型。文中选择一例已通过物理样机测试实验、强度合格的机车转向架构架进行分析。它是由两根侧梁、一根横梁 和两根端梁组焊成的"日"字形结构，整个构架计算模型共有20 225个薄板单元和27 848个节点，如图1。

2、有限元强度计算的载荷和边界条件

在机车转向架构架的有限元计算分析过程中，施加约束和载荷的原则是在构架主动施力处施加载荷，被动受力处施加约束：

机车运行时，作用在构架上的载荷可以归纳为静载和动载两大类。静载荷在运行过程中具有确定不变的数值和方向，包括机车上部重量、转向架自重以及安装在转向 架上各种装置的重量、电传动内燃机车与电力机车的牵引电机的重量、液力传动内燃机车的中问齿轮箱重量等；动载荷是在运行过程中方向和大小都随时间变化的载 荷，包括由于车体振动产生的附加垂向动载荷、机车牵引运行时作用在构架上的纵向力、机车通过曲线时作用在构架上的侧向力、牵引电机作用于构架的振动载荷以 及工作时的反扭矩或电阻制动反扭矩、齿轮箱工作时的反扭矩、制动力、由于线路及其它原因使构架产生的扭曲力等。机车转向架载荷的大小和方向根据具体