王生武 李新易 趙尚超 李向偉

摘? 要：搖枕是薄壁復雜構件，是轉向架關鍵部件之一，其有限元仿真準確性對于疲勞壽命分析具有很大的影響。文章以轉K6搖枕為對象，基于搖枕靜載試驗和實測結果，分別構建了多個不同接觸系數(shù)的有限元模型，分析了接觸條件對測點計算應力的影響。結果表明，轉K6搖枕結構應力的有限元仿真中，接觸條件的摩擦系數(shù)的影響明顯，其最佳摩擦系數(shù)取值為0.4。

關鍵詞：搖枕;K6轉向架;有限元;接觸分析;網(wǎng)格劃分

Abstract： Bolster is a thin-walled complex component and one of the key components of bogies. The accuracy of finite element simulation has a great impact on fatigue life analysis. In this paper， based on the static load test and measured results of K6 swing bolster， several finite element models with different contact coefficients are constructed， and the influence of contact conditions on the calculated stress of the measuring point is analyzed. The results show that in the finite element simulation of the stress of the rotating K6 bolster structure， the influence of the friction coefficient of the contact condition is obvious， and the optimum friction coefficient is 0.4.

引言

高速重載是我國貨運機車的發(fā)展方向，軸重提高意味著需要降低搖枕自重[1，2]。搖枕薄壁結構應力分布復雜且變化急劇，有限元仿真的難度相對較大。目前，在貨車搖枕結構的有限元分析中，往往沒有根據(jù)應力分布的變化特點進行相應的網(wǎng)格疏密劃分[3，4]，或者忽略了實際中存在的接觸問題的影響[5，6]等。同時，也缺少一定的試驗結果來輔助有限元仿真時的建模和修改[7，8]。這些問題都會影響到有限元仿真結果的準確性。因此，對于貨車搖枕薄壁復雜結構的疲勞壽命分析，需要建立與實際情況一致的有限元模型從而獲得更為準確的應力結果。

本文對轉K6搖枕進行了結構應力有限元仿真分析。與應力測試結果相互比較，建立了基于接觸非線性問題的有限元模型，并進行了比較分析，確定了合理的摩擦系數(shù)。提高了搖枕結構應力的仿真準確性。

1 基于試驗建立有限元模型

1.1 加載試驗簡介

轉K6型搖枕是我國重載貨車用轉向架搖枕，為對稱結構，長2430mm，最寬470mm、位于心盤座部位。側壁厚20mm，雙筋板厚18mm，上平面厚23mm，底部厚30mm。車體載荷施加于心盤上，二系彈簧組支撐于搖枕兩端的底面[9-11]。該搖枕已依據(jù)TB/T1959-2006[12]進行了靜載試驗，兩端底面支撐于兩個臺架上，兩個臺架下部各由一根滾柱支撐，在心盤上施加1040.96kN的垂向載荷。搖枕結構及測點位置見圖1。

1.2 建立有限元模型

在不影響分析結果的前提下，省略搖枕兩側不受力的凸臺、掛耳結構。同時，忽略搖枕兩端底面上的圓臍，因為試驗中圓臍與臺架并不接觸。由于心盤載荷豎直向下均勻加載，故將心盤與心盤座設為一體。

選四面體單元（S3D4）進行單元劃分。對于有孔薄壁結構，應力集中現(xiàn)象一般出現(xiàn)在孔邊。因此對排水孔和側孔這些應力集中的部位進行網(wǎng)格細化，最小單元邊長設為最薄壁厚度的1/10，即2mm。模型的網(wǎng)格劃分情況見圖2。

轉K6搖枕由B+級鋼鑄造而成，彈性模量E為172GPa，泊松比v為0.3[11]。試驗臺架剛度遠高于搖枕，因此將臺架和滾柱均設為剛體。對心盤網(wǎng)格上每個節(jié)點施加相同豎直向下的載荷，總載荷等于試驗載荷1040.96kN。并對滾柱軸心線上的各節(jié)點除繞軸旋轉以外的自由度均施加約束。

搖枕兩端底面與臺架頂面之間按接觸非線性問題建模。綜合考慮工程實際中疲勞裂紋形成于數(shù)平方毫米區(qū)域內和加載試驗中應變片的敏感柵面積，本文對有限元計算獲得的應力進行取平均值處理。

2 基于試驗進行有限元分析

為分析摩擦系數(shù)對應力計算結果的影響，分別設置摩擦系數(shù)μ=0.2、0.3、0.4、0.5、0.6進行計算。有限元應力計算結果、加載試驗應力實測值，及差值見表1，與μ之間的變化曲線見圖3。

在上述μ值范圍內，測點的有限元應力結果和差值均與μ呈線性變化。由圖3可以看出，對于測點4、5-1、5-2、6、7位置，隨著μ的增大而逐漸接近0;對于測點1、2、3、8位置，均與零軸有交點，其中測點1、3、8位置約在μ=0.4時交于同一點，且此時的差值接近0。當μ=0.4時，測點7位置的差值絕對值為最大，也僅為7.2MPa。此誤差水平已經(jīng)滿足有限元疲勞分析的計算誤差要求，因此可認為0.4為相對最為合理的摩擦系數(shù)選值。

3 結束語

本文在與搖枕靜載試驗結果相互比較的基礎上，進行了K6轉向架搖枕結構應力的有限元仿真。由分析結果可知，對于轉K6型搖枕靜載試驗，接觸摩擦系數(shù)對應力計算結果的影響較為顯著，其合理的接觸摩擦系數(shù)應為0.4。本文所建立的有限元模型，可獲得相對合理的K6型轉向架搖枕的疲勞壽命分析結果。

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