1 引言
提速重载后,铁路货车主型Z8A 转向架的大部件裂损率明显增加。近几年,因为侧架A区弯角断裂造成了多起行车事故,直接威胁着铁路运输的安全[1-2]。Z8A 型转向架是由左右两个独立的侧架与一个摇枕组成,运用中的侧架承受拉、压、冲击、弯曲等多种交变载荷作用。文献[1]表明侧架因A 区裂纹而报废的所占的比例最大。因此,采用子模型的有限元技术,对侧架及其A 区弯角进行有限元分析在理论上和工程上均有明确的意义。
2 子模型有限元技术
在有限元分析中不管求解结构的规模多大,有限元求解的是一个线性代数方程组:
[K]D = F (1)
式中:[K]为总体刚度矩阵;F 为外载向量;D 为位移向量。
假设已知D 中部分位移向量,设为D1;余下待求的位移向量为D2,那么式(1)可分解为:
将式(2)展开,得到: [K22 ]D2 = F2 - [K21 ]D1 (3)
由式(3)可知:求解待求位移向量D2 时,已知位移向量D1 可看作载荷项的一部分,也就是说,已知位移向量D1 可以被转化为载荷项。
子模型有限元技术[3]分析流程见图1。
图1 子模型的分析流程
3 侧架载荷条件
在Z8A 转向架铸钢侧架垂向载荷谱的基础上,将作用在侧架上的横向载荷等效折算到垂直载荷的各级载荷上,得出侧架的8 级扩展垂向载荷谱,用来进行侧架的可靠性设计,Fmax为578.34kN[4]。
4 侧架及其A 区弯角部的有限元分析
4.1 侧架UG 模型的建立
侧架属箱型薄壁铸钢件,各部分断面均为槽形或空心箱形,具有很多框形弯角和过渡变截面,其A 区为轴箱导框内弯角处,处于箱形结构断面过渡为工形断面结构的部位,UG 模型见图2。
图2 侧架UG 模型
由侧架的三维线框模型可见,模型中包含了侧架实物成型的所有细节,这给CAD 模型转化为CAE 模型带来了困难,致使网格最大单元和最小单元尺寸比值过大,影响有限元计算精度,有时候甚至导致模型不能划分网格,或因奇异单元的存在不能执行有限元分析 等。为此,须在UG 数字化建模记录表中修改和删除那些对强度没有影响的造型细节,保证修改后的模型正确地读入有限元软件中,并能生成高质量的网格。
4.2 侧架有限元模型的建立
本文采用PATRAN 作为有限元分析的前后处理软件,采用NASTRAN 作为求解器。PATRAN 会设定缺省的参考坐标系(全局坐标系)[5-6]。整个有限元分析过程(建立几何模型、定义边界条件、单元节点坐标、求解模型、结果显示)都在参考坐标系 (全局坐标系)下完成。如果在参考坐标系中进行侧架有限元分析,见图3,不利于研究A 区弯角的应力状态及三个方向应力的比例关系。为此,另外建立了分析坐标系见图4。
图3 侧架在参考坐标系的网格
图4 侧架在分析坐标系下的网格