刘余龙 陈晓峰 卜旦霞
南车株洲电力机车有限公司 株洲 412001

摘要：本文利用HyperMesh软件建立了构架的三维有限元模型，根据标准UIC615-4对构架施加各种载荷工况，然后利用HyperMesh与其他CAE软件求解器接口，把有限元模型导入求解器中求解各工况下的应力，并进行校核，完成构架的静强度及疲劳强度分析。

0引言
　　转向架是机车的主要组成部分，它利用轮轨间的黏着保证牵引力的产生，保证机车顺利通过曲线并使机车具有较好的运行平稳性和稳定性[1]。构架是转向架的骨架，是转向架其他零部件的安装基础，承受各零部件所产生的载荷[2]。构架的受力状态非常复杂，为保证机车运行的安全性，有必要在转向架设计时对构架进行强度评估。本文以某机车构架为研究对象，利用Altair公司的HyperMesh软件建立构架的有限元模型，并进行有限元分析。
　　
1构架有限元模型
　　本文中讨论的机车构架的结构特点为端部牵引，框架为“日”字形结构，主要由2根侧梁1根横梁1根端梁及1根端部牵引梁组成，各梁皆为由钢板焊接而成的箱型焊接结构。中间横梁设有电机吊挂座。端部牵引梁设有牵引座与牵引杆连接，给车体提供牵引力。
　　在构架设计时用三维软件建立构架的三维模型，然后导入到HyperMesh中，利用HyperMesh的抽中面功能建立由面元素组成的构架模型。由于整个构架主要由钢板焊接而成，其长度和宽度远大于其厚度，因此构架主要离散成壳单元，部分安装座离散成实体单元。最后离散出壳单元78006个，实体单元4804个，节点78466个，构架有限元模型如图1所示。

2计算参数及载荷工况组合
　　在转向架构架的强度计算分析中，计算载荷和载荷工况参考《UIC615-4 动力转向架构架强度试验》标准中规定的计算载荷和载荷工况实施。
2.1 计算参数
　　构架强度计算的基本参数见表1。

2.2 载荷工况组合
　　本文按照UIC 615-4标准，利用HyperMesh软件分别对构架有限元模型施加超常载荷和运营载荷，并直接导入求解器中进行计算，根据应力计算结果，评估构架的静强度。其中超常载荷用于评定构架的静强度，而运营载荷用于评价构架的疲劳强度。
　　超常及运营载荷主要有：
　　超常工况垂向载荷、模拟运营垂向载荷，作用于二系簧座；
　　超常工况横向载荷、模拟运营横向载荷，作用于二系簧座及横向止档；
　　牵引电机和传动系统的静载荷，作用于电机悬挂点；
　　电机额定转矩产生的的载荷、，作用于电机悬挂点；
　　5‰轨道扭曲位移，10‰轨道扭曲位移，作用于在一系簧；
　　构架承受转向架3g冲击载荷，作用于牵引座。
　　根据标准UIC 615-4，主要运营工况和超常工况的组合如表2所示。考虑车体侧滚及浮沉的影响，取α=0.1，β=0.2。

3计算结果及分析
3.1 静强度计算结果分析
　　静强度评定：对于工况12～15，构架各点Von Mises应力均不得大于材料的屈服强度极限345MPa。
构架静强度计算结果见表3（TOP面为构架模型各梁的外法线方向，以下计算结果中的壳单元的Top及Bot面应力以此取向而定）。构架各工况Von Mises应力分布云图见图2～图9，从中可以看到，在工况13载荷作用下，最大应力值出现在牵引梁与侧梁交接处的下盖板圆弧处，最大应力值为314.324Mpa，小于材料的屈服极限345MPa，构架静强度满足设计要求。

3.2疲劳强度计算结果分析
　　疲劳强度评定：选取构架中应力较大各点，取工况1～11下各点应力值σmax，及最小σmin，按下式计算各点平均应力及应力幅值：

　　计算出的各点平均应力及应力幅值按Goodman疲劳极限图评定。
　　对于工况1～11，将各节点平均应力及应力幅值计算结果放入Goodman图进行疲劳强度评估，构架各节点疲劳强度评定结果见图10及图11。可见构架上全部点都落在Goodman疲劳极限曲线内。计算结果表明，构架主体结构和焊缝疲劳强度满足设计要求，并具有一定的强度储备。

4结束语
　　根据构架的结构特点，把构架离散成壳单元能显著减小计算的规模，并且不损失计算的精确性，利用HyperMesh软件的抽中面功能可以快速建立构架的壳单元模型。在HyperMesh软件中很方便对构架模型施加组合工况载荷。HyperMesh与其它工程软件具有良好的接口，使其运用范围非常广泛。
　　
5 参考文献
[1]鲍维千, 孙永才. 机车总体及转向架.中国铁道出版社[M].2010
[2]叶洪岩, 邬平波.转向架焊接构架静强度分析及疲劳强度评估[J]. 铁道机车车辆.2011(2),23.

Static and Fatigue Strength Analysis of  Locomotive Bogie Frame
Liu Yulong  Chen Xiaofeng  Bu danxia

Abstract：In this paper,the finite element model of a locomotive bogie frame is built by HyperMesh and the main load cases are applied on the model according to the international standard UIC then use the solver Interface to analysis the static and fatigue strength by CAE solver and completed the stress evaluation.
Key words: HyperMesh  Bogie Frame  Static Strength Analysis  Fatigue Strength Analysis