熄焦车转向架摇枕有限元分析及结构优化

时慧焯　杨金玲

摘要：以某新型熄焦车转向架摇枕为研究对象，首先，建立摇枕的有限元模型，利用ANSYS有限元分析软件，对其进行静强度分析，获得摇枕的应力分布及变形情况，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准，校核其刚度和强度是否满足设计要求。然后，对其进行结构优化设计，在满足设计要求的基础上使结构轻量化，从而为摇枕进一步的结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。

关键词：转向架；摇枕；有限元分析；结构优化

引言

本文以某新型熄焦车转向架摇枕为研究对象，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准，校核其刚度和强度是否满足设计要求。然后，对其进行结构拓扑优化设计，在满足设计要求的基础上达到结构轻量化的目的，从而为摇枕进一步的结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。

1.摇枕的基本结构

本文所研究的熄焦车转向架摇枕应用在轴重为46t，自重为8t的转向架上，通过上、下心盘的配合支承着车体，车体的垂向载荷通过上下心盘、摇枕、摇枕弹簧传递到转向架侧架；车体的横向载荷通过上下心盘传递到摇枕，再通过摇枕挡传递到转向架侧架；车体的纵向载荷通过上下心盘传递到摇枕，再通过磨耗板和摇枕弹簧传递到转向架侧架上。

2.摇枕静强度分析计算

2.1 有限元模型

摇枕有限元模型如图1所示。

2.2 计算载荷工况

本次有限元分析基于TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的静强度要求和TB/T1959-2006《铁道货车摇枕、侧架静载荷及疲劳试验》的刚度要求，并结合熄焦车实际运行状况，在静强度分析中，主要考虑垂向冲击载荷和摇枕自重。垂向冲击载荷以均布力的形式施加在摇枕心盘处，约束施加在摇枕弹簧支撑底部。

2.3 静强度分析结果

利用ANSYS有限元分析软件对摇枕进行静强度分析。结果显示，摇枕上盖板中央截面相对于两侧的最大垂向位移为4.1mm，小于允许最大垂向位移5.2mm，满足垂向弯曲刚度设计要求，垂向位移如图2所示；摇枕在计算载荷工况下的最大Von Mises等效应力为183MPa，发生在摇枕下心盘中心位置附近，小于许用应力230MPa，Von Mises等效应力分布如图3所示。

从有限元分析计算结果可知，摇枕在刚度和静强度，不仅满足设计要求，而且有一定的富裕量，具有一定的优化空间。

3.摇枕结构拓扑优化

3.1 连续体结构拓扑优化原理

结构拓扑优化目前的主要研究对象是连续体结构。拓扑优化的基本思想为将设计区域划分成有限个单元，依据一定的算法删除部分区域，形成带孔的连续体，实现连续体的拓扑优化。变密度法是连续体结构拓扑优化的常用方法之一，它以连续变量的密度函数形式显式地表达单元相对密度与材料弹性模量之间的对应关系，这种方法基于各向同性材料，不需要引入微结构和附加的均匀化过程，它以每个单元的相对密度作为设计变量，人为假定相对密度和材料弹性模量之间的某种对应关系，程序实现简单，计算效率高。

3.2 摇枕结构拓扑优化数学模型

一个优化模型通常由三部分组成：设计变量、目标函数和约束条件。本文采用变密度法，以每个单元的密度为设计变量；以摇枕的体积最小化为优化目标；以材料的许用应力和设计变量上下限为约束条件。摇枕的拓扑优化数学模型如下：

3.3 摇枕拓扑优化

首先，建立摇枕的拓扑优化有限元模型，采用solid185单元，共划分12400个单元，14679个节点，两端各建立8个刚性单元与8个弹簧单元模拟摇枕弹簧支撑。摇枕拓扑优化有限元模型如图4所示。然后，根据静强度分析要求，施加计算载荷工况，设置优化参数。

经计算，迭代72步收敛，得到了摇枕的材料密度分布情况，密度控制值选取0.135时结构清晰，拓扑优化后模型如圖5所示。通过优化结果可以看出，摇枕纵向中间腹板密度值小，通过计算去除了大部分材料，结构拓扑后得到的结果比较理想。

3.4 优化模型设计及校核

本文根据工艺要求及经验设计方法，对摇枕原结构进行如下修改：（1）去除摇枕纵向中间腹板；（2）减小上下盖板及两侧腹板厚度。施加与原结构相同的计算载荷工况，对改进后的模型进行静强度分析，结果显示，摇枕下盖板中央截面相对于两侧的最大垂向位移为4.9mm，小于允许最大垂向位移5.2mm，满足垂向弯曲刚度设计要求.见表1。

由表1数据可知，在相同的计算载荷工况下，原结构与改进结构均满足设计要求。但是，改进结构比原结构重量减小了21%，提高材料的利用率，降低耗材量，节约生产成本。

4.结论

4.1本文基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准对熄焦车转向架摇枕进行了静强度评定，通过ANSYS有限元计算分析，最大垂向位移为4.1mm，最大Von Mises等效应力为183MPa，均满足设计要求，且具有一定的富裕量。

4.2利用拓扑优化设计办法，对摇枕原结构进行优化设计，优化后的结构经过校核，最大垂向位移为4.9mm，最大Von Mises等效应力为205MPa，不仅满足设计要求，同时比原结构重量减少了21%，降低耗材量，节约生产成本，达到结构轻量化的目标。从而为摇枕进一步的结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。

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