XField高铁转向架结构场案例

此前XField的仿真案例后处理展示主要是以流场数据为主，是为了体现XField在处理结构场仿真数据的能力。本期我们将以高铁转向架静力学有限元分析为案例，采用商用有限元仿真软件ABAQUS计算，输出odb结果数据文件，XField完成三维结构场解算数据后处理。

阅读完整文章前，我们先来看看XField对odb数据的后处理效果展示。

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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出行方式的影响极大。我国生产的CRH系列高速动车组不仅成功在内地运营，而且也在不断开拓国际市场。高速列车在全世界各地的疾速奔驰，转向架技术是其中的核心技术之一。

转向架是机车车辆最重要的组成部件之一，其结构是否合理直接影响机车车辆的运行品质、动力性能和行车安全。转向架位于车辆的最下部，车体与轨道之间。它牵引和迁导车辆沿着轨道行驶，并承受和传递来自车体及路线的各种载荷，同时缓和其动力作用，它是保证车辆安全运行的关键部件。

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，在设计过程中开发高性能转向架是发展高速动车组技术的关键，设计人员可以充分利用有限元结构仿真技术，实现对现有设计的快速迭代优化。

< 图1 转向架支撑高铁车体 >

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2.1 几何前处理

转向架由两个梯形结构的侧梁和中间的横梁组成。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侧梁之间通过弹簧连接，梯形结构两边通过轴承与轮轴相连。在划分有限元网格前，需要对CAD模型进行几何前处理，检查模型，并对存在几何缺陷的位置进行几何修复，简化可以忽略的细微特征，无需保留实物模型的所有细节特征。

经处理后的转向架CAD数模结构如下图所示：

< 图2 转向架CAD数模 >

2.2 网格前处理

计算网格采用非结构四面体网格，单元类型采用C3D10（十节点二次四面体单元），全局网格尺寸控制10mm，所有零部件网格数量共649469，划分后的有限元网格如下图所示：

< 图3 转向架有限元网格 >

2.3 材料和接触定义

所有零部件材料均用结构钢材料，杨氏模量为210Gpa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3,不同零部件之间采用绑定接触连接关系，软件会根据几何间隙自动探测并创建多个接触对，然后建立部件之间的绑定关系。

建立绑定关系后如下图所示：

< 图4 部件之间建立绑定接触 >

2.4 载荷及边界条件

对于高铁转向架，转向架牵引点处沿纵向作用的最大牵引力根据受力情况存在多种工况，如超常垂向载荷、超常横向载荷、超常纵向载荷等。本文以超常垂向载荷为例，载荷大小为200000N，方向垂直于地面，对车轮施加固定约束，按照以上条件对转向架进行静强度有限元仿真计算。

加载载荷后如下图所示：

< 图5 施加超常垂向载荷 >

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3.1 装配体网格可视化显示

装配体网格可视化显示方便用户快速查看结构计算的有限元网格类型，可以快速在网格模式和不显示网格模式之间切换。

本案例演示整个转向架装配体的两种可视化形式，分别如下图所示：

< 图6 转向架模型显示 >

< 图7 转向架以网格形式显示 >

3.2 零部件网格可视化显示

目前XField版本对于装配体 odb 仿真数据解析可以精确到零部件级拆分，并且可以实现单独显示某个零部件及其有限元网格，用户也可以按照需求对零部件颜色设置。

本案例以只显示装配体中支撑架部件为例，在装配体零件目录勾选需要单独显示的部件，并将颜色设置为蓝色，显示后的效果如下图所示：

< 图8 支撑架以三角面形式显示 >

< 图9 支撑架以有限元网格形式显示 >

3.3 装配体应力云图显示

装配体应力云图是用于显示转向架装配体在受到载荷时的应力分布情况的可视化结果，它可以帮助我们理解装配体在受载荷作用下的应力分布情况，快速发现应力较大的零部件，并进一步评估装配体的强度和稳定性。

< 图10 转向架等效应力云图 >

< 图11 转向架等效应力云图以网格显示 >

3.4 装配体变形云图显示

装配体变形云图是用于显示装配体在受到载荷时的变形分布情况的可视化结果，它可以帮助我们理解装配体在受载荷作用下的变形分布情况，并进一步评估装配体的刚度，辅助设计人员优化结构设计。

< 图12 转向架总变形云图 >

< 图13 转向架X方向变形云图 >

< 图14 转向架Y方向变形云图 >

< 图15 转向架Z方向变形云图 >

3.5 零部件应力云图显示

零部件应力云图是用于只显示装配体中一个零部件在受到载荷时的应力分布情况的可视化结果，它可以帮助我们理解零件在受载荷作用下的应力分布情况，并进一步评估零件的强度和稳定性。

< 图16 弹簧等效应力云图 >

3.6 零部件变形云图显示

零部件变形云图是用于只显示装配体中一个零部件在受到载荷时的变形分布情况的可视化结果，它可以帮助我们理解零件在受载荷作用下的变形分布情况，并进一步评估零件的刚度。

< 图17弹簧总变形云图 >

3.7 切面云图显示

对于结构场仿真数据，XField支持用户以单切面或者多切面的形式对结构内部剖切，以切面形式显示有限元仿真的物理量数据，方便用户直观查看。

< 图18转向架内部切面等效应力云图 >

< 图19转向架内部切面总变形云图 >

以上为高铁转向架案例展示的全部内容，通过本案例展示了XField在处理结构场仿真数据的能力。期待未来的版本能为更多用户带来惊喜。再次感谢大家的关注与支持！