心盘约束方式对平板车车架静扰度的影响
前言
某平板车架在铁科主持的静强度试验中，车架中部最大静扰度高达46mm，远远超过了仿真计算值。由于团队以前也很少接触平板车架，对于这个结果，大家一时间也陷入了恐慌之中，组织了多次会议研讨，有人说是板厚差异引起的，有人说焊接质量造成的，有人说是试验过程中配重砝码摆放位移偏差引起的，还有人说是试验工装的问题，等等，始终也无法达成统一意见。在这种背景下，经过领导协调资源，团队深入货车主机厂，与其仿真工程师、试验工程师当面交流，同时也查阅大量文献，看看同行对此类车架如何建模的。通过多次仿真测算，一一排除了砝码位置偏差、板厚公差引起巨大偏差的可能，大家逐渐把目光聚焦在模型的支撑约束方式上来。该平板车架的有限元模型见图1。
图1 平板车架的有限元模型
本文涉及的约束方式分为四种：(1)固结方式；(2)货车厂约束方式；(3)论文中约束方式；(4)工装接触方式
1 固结方式
前后两端心盘处的约束都是用固结方式，即约束所有自由度，见图2。
图2 固结方式自由度的设置
图3 固结方式下的计算结果
2 货车厂约束方式
在与货车主机厂仿真工程师交流时，他们使用的约束方式是：一端心盘处约束沿X、Y、Z平动和绕Z转动，简写为(0,0,0,F,F,0)，其中“0”代表限制自由度，“F”代表释放自由度，在软件中如图4设置。
图4 一端约束方式
另外一端心盘处约束Y、Z平动和绕X转动，简写为(F,0,0,0,F,F)，设置如图5所示。
图5 另外一端约束方式
经计算，采用货车厂约束方式时，车体最大静扰度为43.32mm，见图6，结果与试验值（46mm）比较接近了。
图6 货车厂约束方式下的计算结果
3 论文中约束方式
在论文《轨道动力车车架结构强度与刚度分析》、《轨道除雪车车架静强度分析及试验》、《轨道吸污动力车结构静强度分析》、《某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验》、《铁道清污机动力车强度刚度有限元分析》中，关于心盘约束方式都是采用如图7的表述。
图7 论文中关于约束的表述
具体约束方式表达为：一端：（0,0,0,0,F,F）,另一端（F,0,0,0,F,F），这种约束方式完全限制绕X轴的转动，即不让车体侧滚，计算结果见图8，最大静扰度为42.84mm，与货车厂约束下的结果（43.32mm）相差不大。
图8 论文约束方式下的计算结果
论文中约束与货车厂约束的差异点：(1) 论文约束完全限制了车架侧滚（绕X轴转动），而货车厂约束只限制了一端的侧滚，另外一端则放开了侧滚；(2) 论文约束完全放开了车架摇头（绕Z轴转动），而货车厂约束只限制了一端的摇头，另外一端则放开了摇头。
关于第二点差异，本人的理解是由于两端都限制了Y的平动，则摇头也就限制了，不管在软件中是否限制了摇头，结果都是一样的。比如在论文约束中，把两端的摇头自由度从“F”改为“0”，即把摇头自由度从“自由”改为“限制”，具体约束为：一端（0,0,0,0,F,0）,另一端（F,0,0,0,F,0），计算结果如图9所示，结果与修改约束前的结果是一模一样的，也验证了本人的理解。
图9 完全放开摇头自由度下的计算结果
因此论文约束、货车厂约束两种计算结果差异是由于车架的侧滚自由度设置差异造成的。如果试验过程中有车架两侧（Y轴方向）有刚性旁承支撑，即完全限制了车架的侧滚，使用论文约束方式可能更接近试验结果；如果试验过程中有车架两侧没有刚性旁承支撑，即允许车架出现侧滚，使用货车厂约束方式可能更接近试验结果。那么有人会问：能否两心盘处都放开侧滚，即一端：（0,0,0,F,F,0）,另一端（F,0,0,F,F,F），此种约束下的计算结果如图10所示，产生了高达358700mm的静扰度，这显然是错误的。
图10 完全放开侧滚自由度下的计算结果
4 工装接触方式
为什么会有这种方式呢？这是团队成员在参加某仿真论坛时，和汽车仿真工程师聊到我们这个问题，他建议我们把工装加上去看看，这样就无需考虑哪些自由度放开，哪些释放，车架姿态按接触非线性计算得到。把工装简化，加入到有限元模型中，见图11。
图11 带工装的有限元模型
按照接触非线性设置好后（由于篇幅有限，具体设置方法略去），提交计算，得到结果如图12所示，最大静扰度只有32.43mm，与试验值也有一定差距。按道理来讲，这种建模方式应该是最贴近现实的，但是在设置非线性接触时，需要设置很多参数，有些参数设置地与实际情况可能有所偏差。
图12 含工装接触的计算结果
5 结束语
对比以上4种约束方式，固结约束方式人为增强了车架刚度，该约束方式首先淘汰了。采用工装非线性接触方式来计算，建模复杂（涉及好多参数），计算时间长（工作站上跑了7个多小时），也可以摒弃这种建模方法。剩下的两种约束方式，就要根据试验过程中是否有刚性旁承支撑来决定，如果有，使用论文中的约束方式，否则采用货车厂的约束方式。
END
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