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地铁车辆轴箱体的强度分析及模拟方式论文地铁车辆轴箱体的强度分析及模拟方式论文摘要：轴箱体结构形式多样，强度校核分析尚无专门标准。参考标准BSEN13749：2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》，对某型地铁车辆轴箱体进行强度校核分析，并对约束及载荷的施加模拟方式进行探讨。关键词：轴箱体；强度分析；有限元计算；模拟方式轴箱是连接轮对与构架的活动关节，传递轮对与构架间的作用力，是机车车辆转向架的重要承载部件。轴箱体是轴箱的骨架，两端设有一系弹簧座。内外端盖以螺栓预紧安装在其两侧，轴承以间隙配合的方式安装于其内部。本文参考BSEN13749：2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》标准，对某型地铁车辆轴箱体进行强度校核，并对约束及载荷的施加模拟方式进行探讨。一、轴箱体结构形式及受力分析本文探讨的某型地铁车辆设计的轴箱无轴箱拉杆，其一系簧采用橡胶弹簧，橡胶弹簧的芯轴由螺栓预紧安装在轴箱体簧座上。轴箱体在工作中承受的载荷为两组橡胶弹簧的垂向、横向和纵向载荷，其所受的约束为轴承对其的轴向约束和径向约束。二、轴箱体有限元计算模型虽然是对轴箱体进行强度校核仿真分析，但考虑到一系簧芯轴刚度、端盖刚度、及螺栓预紧力对轴箱体局部计算结果的影响，故把上述同属一系悬挂装置的部件全部建立在有限元计算模型中，部件之间采用接触单元和螺栓预紧连接。有限元计算模型采用实体建模，利用CAD软件建立三维实体模型，然后导入ANSYS有限元分析软件，采用SOLID187四面体单元对实体模型进行离散，经过处理生成计算模型。三、轴箱体计算载荷及计算工况（一）计算载荷参考BSEN13749：2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》标准，结合轴箱体实际工作情况，确定如表1所示计算载荷。式中，MV4为整车质量（AW4）；mt为簧下质量；nb为转向架数量；na为每转向架的轮对数量；（4）附加的制动载荷及（5）附加的牵引载荷计算公式中的1.3为超常载荷工况下的制动或牵引载荷系数，1.1为运营载荷工况下的制动或牵引载荷系数；Fbe为紧急制动时每转向架受到的最大制动力；Fs为起动牵引时每转向架的牵引力；Cps，z为一系橡胶弹簧垂向刚度；Sg1为10‰轨道扭曲对一系弹簧形成的垂向位移；Sg2为5‰轨道扭曲对一系弹簧形成的垂向位移。其中纵向载荷是指由簧下质量引起的惯性冲击力。由于地铁车辆频繁起动与制动，故从使结果偏于安全的角度出发，持续牵引力按起动牵引力取值，常规制动力按最大制动力取值。（二）计算工况参考UIC615-4及BSEN13749：2011标准，结合实际运行情况，对轴箱体所受载荷进行组合为以下计算工况。1.超常载荷计算工况2.模拟运营载荷计算工况四、约束及载荷的施加模拟方式由于轴箱体承受的弹簧传递的载荷和轴承传递的载荷是一组平衡力；并且两端橡胶弹簧和轴箱体中心距相同，因此，作如下简化约束及载荷施加模拟：（1）约束：在一系簧芯轴顶端面施加垂、横、纵三向固定约束.（2）径向载荷：轴上的垂向载荷（Z向）、纵向载荷（X向）均以轴承载荷形式施加在轴承安装圆柱面上；附加载荷中的牵引载荷、制动载荷为X向载荷，扭曲载荷为Z向载荷，同样均以轴承载荷形式施加在轴承安装圆柱面上.（3）轴向载荷：轴上的正向横向载荷施加在轴箱内端盖的轴承止挡面上，如图2.8所示；负向横向载荷施加在轴箱外端盖的轴承止挡面上，如图5所示；（4）螺栓采用BEAM188单元模拟，并施加相应等级螺栓的预紧力。五、计算结果及分析在超常载荷工况评价中采用第四强度理论导出的等效应力eσ（又称VonMises应力）来评价，此等效应力不得超过相应计算工况的许用应力。通过对超常载荷工况计算后，各工况下轴箱体的最大应力均小于材料的许用应力，满足静强度要求。其中第7工况应力最大，其VonMises应力云图如图7所示。轴箱体疲劳强度考核采用Goodman疲劳极限图，当轴箱体在各工况下的最小应力和最大应力均位于疲劳极限图内，则疲劳强度满足要求。疲劳极限图参考UIC615-4：2003及ERRIB12/RP17钢材疲劳极限图的绘制方法。参考文献，HV<400钢材的疲劳极限σ-1一般为拉伸极限强度的一半，同时取安全系数为1.5。可得如图8所示B+级钢的Goodman疲劳极限图。对表3中定义的疲劳工况的计算结果进行处理，提取了轴箱体所有表面非中间节点的主应力及其方向余弦。利用ANSYSAPDL与Matlab联合编程，完成了各节点σmax、σmin、σm及σa的计算。图8给出了轴箱体在疲劳工况载荷作用下的Goodman图疲劳强度评定情况。可见，所有节点的应力最大值和最小值均在材料Goodman疲劳极限图的包络范围内，满足疲劳强度校核要求。六、结语轴箱体根据机车车辆转向架设计要求，结构形式多样，强度校核分析尚无专门标准，需要参考借鉴转向