基于PERA SIM的机车转向架静力学强度仿真
安世亚太结构工程师
白增程
摘 要
本文利用安世亚太自主开发的通用结构仿真软件 PERA SIM Mechanical，对机车转向架进行了结构静力学仿真分析，并对构架的等效应力情况做出了评定。此外，本文展示并验证了PERA SIM Mechanical的部分功能，希望对其他工程师有所帮助。
关 键 词：转向架，结构静力学，PERA SIM Mechanical
0.引言
近年来，我国高速铁路的快速发展，对我国经济发展和人们生活方式的影响极大，赢得了社会各界的赞誉。我国生产的CRH系列高速动车组不仅成功在内地运营，而且不断开拓着国际市场。转向架在铁道车辆运行的过程中能够缓和轨道不平顺对列车的冲击，保证车辆运行的稳定性、安全性和曲线通过能力。因此，开发高性能转向架是发展高速动车组技术的关键。
本文应用有限元分析软件 PERA SIM Mechanical建立了构架有限元模型，确定了需要分析的转向架构架组合工况后，进行静力学仿真分析，并对构架的等效应力情况做出评定。
1.转向架静力学与研究方法
1.1 模型
转向架由两个梯形结构的测量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测量之间通过弹簧连接。梯形结构两边通过轴承与轮轴相连。如图1所示。
图1 转向架结构
1.2 构架材料
构架结构的材料采用结构钢，其杨氏模量为2e5Mpa、泊松比为0.3，密度为7.85e3kg/m3。
1.3 载荷
在转向架牵引点处沿纵向作用的最大牵引力。根据其受力情况组合，可以形成11种计算工况：
工况1：超常垂向载荷
作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax
构架上的每个电机超常悬吊载荷FZxdmax
工况2：超常横向载荷FY
工况3：超常纵向载荷Fx
工况4：超常斜对称载荷
一个车轮施加15mm垂向位移
工况5：超常垂向载荷＋超常横向载荷
作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax
构架上的每个电机超常悬吊载荷FZxdmax
超常横向载荷FY
工况6：超常垂向载荷＋超常纵向载荷
作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax
构架上的每个电机超常悬吊载荷FZxdmax
超常纵向载荷Fx
工况7：超常垂向载荷＋超常斜对称载荷
作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax
构架上的每个电机超常悬吊载荷FZxdmax
超常斜对称载荷
一个车轮施加15mm垂向位移
工况8：超常垂向载荷＋超常横向载荷＋超常纵向载荷
作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax
构架上的每个电机悬吊载荷 FZxdmax
超常横向载荷FY
超常纵向载荷Fx
工况9：超常垂向载荷＋超常横向载荷＋超常斜对称载荷
作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax
构架上的每个电机超常悬吊载荷 FZxdmax
超常横向载荷FY
超常斜对称载荷
一个车轮施加15mm垂向位移
工况10：超常垂向载荷＋超常纵向载荷＋超常斜对称载荷
作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax
构架上的每个电机超常悬吊载荷 FZxdmax
超常纵向载荷Fx
超常斜对称载荷
一个车轮施加15mm垂向位移
工况11：超常垂向载荷＋超常横向载荷＋超常纵向载荷＋超常斜对称载荷
作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax
构架上的每个电机超常悬吊载荷 FZxdmax
超常横向载荷FY
超常纵向载荷Fx
超常斜对称载荷
一个车轮施加15mm垂向位移
本文以工况5：超常垂向载荷＋超常横向载荷为例，对转向架的静强度进行受力分析。其中垂直方向载荷Fz=168240N，横向载荷Fx=124640N。
2.有限元模型的建立
2.1 模型导入及检查
PERA SIM Mechanical具有丰富的几何接口，包括多种CAD和CAE文件类型，如：IGES、STEP、SAT等几何模型数据以及Catia、Creo、SolidWorks等软件的几何数据的导入以及cdb、inp（ANSYS）、dat、vtu、inp（ABAQUS）、bdf等多种网格模型数据的导入。
图2 转向架模型导入
图3 转向架结构
软件可以根据几何间隙自动探测并创建绑定关系。
图4 自动探测创建接触
2.2 网格划分
PERA SIM Mechanical支持全局网格控制和局部网格控制两种控制方式。全局模型默认的网格类型为四面体网格，通过定义网格最大最小尺寸控制全局网格质量。如下图所示。
图5 全局网格设置
图6 全局网格质量
也可以通过定义局部零部件网格尺寸和划分规则，确定局部零部件的网格质量。
图7 局部网格设置
图8 局部网格质量
PERA SIM Mechanical支持并行网格划分技术，可以充分利用硬件资源，缩短仿真设置的时间成本。
图9 并行网格划分
2.3 材料定义
PERA SIM Mechanical支持多种材料属性的定义，包括但不限于线弹性、正交各向异性、双线性（多线性）等向强化塑性、双线性（多线性）随动强化塑性以及复合材料失效准则等。支持梁截面的轮廓定义，包括H型、L型、工字梁、槽钢、T型、Z型、帽型、圆、圆环、矩形、矩形框、用户自定义等多种梁截面形状的设置。
本例中分别定义了结构钢材料的杨氏模量，泊松比以及密度，根据问题中提到的材料属性，定义界面如下。
图10 材料属性定义
图11 材料密度定义
图12 截面属性定义
图13 模型属性赋值
2.4 载荷及边界条件
PERA SIM Mechanical提供丰富的边界条件、载荷、激励的类型，如固定位移、指定位移、远端位移、集中力、压力、重力、加速度、加速度谱、速度谱、位移谱、远端力、温度、PSD、转动速度、转动加速度、热分析结果数据、初应变、热流、对流、辐射等，支持常量、表格的多种定义方式。
本例中采用集中力载荷形式，分别定义了垂直载荷和水平载荷，以及固定约束。如图所示。
图14 垂直载荷设置
图15 垂直载荷设置
图16 横向载荷设置
图17 横向载荷设置
2.5 作业提交
对Model及task创建作业，基于前处理设置，对作业进行数据检查，防止出现数据设置不合理或遗漏现象。
图18 模型检查及提交计算
3.计算结果分析
PERA SIM Mechanical后处理包括云图、矢量图、等值线/等值面、切面图、动画、二维数据表/曲线、非线性收敛曲线、应力线性化、响应PSD、用户自定义、工况组合等。
本例中主要查看转向架的位移和应力情况，如下图所示。
图19 转向架位移云图
图20 转向架等效应力云图
图21 转向架截面位移云图
图22 转向架截面等效应力云图
图23 转向架任意曲线上节点等效应力曲线
4.结论
本文利用PERA SIM Mechanical结构仿真软件，实现了机车转向架的结构静力学分析。完成模型导入、网格划分、约束边界及求解参数设置等处理后，进行快速求解，得到了转向架结构的位移和应力结果。
通过本案例可以看出，PERA SIM Mechanical结构仿真软件能够处理完整的静力学仿真。
1. 从几何层面上来讲，软件支持自建模型，同时支持多种外部模型类型的导入；
2. 从网格层面，软件支持局部网格控制、全局网格控制，支持网格类型定义，支持扫掠网格生成，支持并行分网；
3. 从材料和单元层面来讲，软件支持梁、壳、杆、实体等多种单元类型，支持常用的线性非线性材料属性的定义；
4. 从接触角度来看，软件支持绑定、无摩擦等线性接触，同时也支持摩擦接触等非线性接触类型；
5. 从激励和边界条件层面来讲，软件支持压力、压强、远端载荷等多种载荷类型，支持固定约束、远端唯一、平移转动等约束类型的定义；
6. 从后处理层面来看，软件可以查看计算的位移、应力应变等结果云图，也支持查看特性截面的云图展示，同时支持特定曲线上的应力提取等功能。
本例仅能展示PERA SIM Mechanical结构分析软件的部分功能，还有很多功能有待感兴趣的工程师进一步的尝试开发。
安世亚太具有业界完整的自主仿真技术体系，引领中国自主仿真技术发展。自主研发的PERA SIM通用仿真软件能够提供通用物理场（结构、热、流体、电磁、声学）及耦合场分析功能，以及能同时适用于结构、流体、电磁、声学等学科的通用前后处理器。
