基于PERA SIM的转向架架构仿真分析

本文利用PERA SIM Mechanical通用结构仿真软件完成了转向架架构静强度及模态分析仿真过程，从导入几何模型开始，到网格划分、材料指定、接触创建、边界及载荷施加，最终得到转向架架构的位移、应力分布以及固有频率、振型分布。

关键词：转向架架构；静强度；固有频率；振型

随着铁路运输速度的不断提高，作为列车重要组成部分的转向架构架的运行条件也更加恶劣，其受到的振动频率也不断增大，人们对列车提速后安全性的关注度也越来越高。在列车的运行过程中，转向架构架承受和传递来自各个方向的作用力，所以构架强度的好坏对列车的安全运行有着重要的影响。

本文基于PERA SIM Mechanical结构仿真软件建立了转向架架构静强度和模态分析流程，获得指定工况下的架构位移、应力分布以及固有频率、振型分布。

4.1 模型建立

转向架构架由两个梯形结构和中间一根横梁组成。为了加强结构强度，梯形结构上下梁之间有纵梁连接加固。横梁与两个梯形结构之间通过弹簧连接，梯形结构两边通过轴承与轮轴相连。

图1 转向架架构模型

4.2 网格划分

为保证计算精度，整体模型单元大小设置为10mm，并使用一阶单元（低阶单元）进行计算来保证计算速度。网格划分后，模型的单元数量为2632429。

图2 整体网格模型 

图3局部网格模型

4.3 材料定义

转向架构架材料参数如下：

表1 转向架构架材料参数

4.4接触设置

PERA SIM Mechanical可基于容差自动创建接触域和接触对，也支持用户手动创建接触关系。由于模型数量相对较少，本次采用手动的方式创建接触对。为保证载荷的正确传递，将连接部分设置为绑定接触。然后分别将三个部分设定为不同的接触域，软件会在不同接触域之间识别接触关系。最后根据不同的接触域设定哪两个接触域之间创建接触对。

图4 基于接触域的接触对识别

图5 接触整体设置

4.5 边界条件

在轮轴表面处设定完全固定支撑，限制其所有自由度。

4.6 载荷施加

根据实际工况，对结构施加垂向和横向载荷，载荷数值分别为126536N和85376N。以节点载荷施加至相应位置。

创建分析任务为静力结构和模态分析，并指定载荷工况添加相应的约束条件及载荷。

图6 分析任务及工况设置

计算得到的转向架架构位移、应力分布、振型分布结果如下图所示：

             

图7 总体 位移云图

             

图8 等效应力云图

             

图9 一阶模态振型

             

图10 二阶模态振型

             

图11 三阶模态振型

             

图12 四阶模态振型

             

图13 五阶模态振型

             

图14 六阶模态振型

表2 前6阶固有频率

通过查阅文献可知，列车运行时外界的激振频率通常是10Hz左右，构架的振动频率高于10Hz时，能产生较好的避震效果。从表2数据可知，前6阶固有频率均大于10Hz，表明构架的刚度符合设计要求，同时有效地避免列车在轨道运行时与外界激励频率相近发生共振现象，有利于车辆正常平稳行驶。

本文采用国产通用仿真软件PERA SIM Mechanical对转向架架构进行了有限元分析，得到了架构的位移、应力、固有频率及模态振型，本文的工作对转向架架构的设计具有一定的参考意义。