基于接触算法的轨道车辆轴箱体结构强度分析.pdf

基于接触算法的轨道车辆轴箱体结构强度分析 [刘兴龙] [南车青岛四方机车车辆股份有限公司 高速列车系统集成国家工程实验室（南方），266041] [ 摘 要 ] 为了获得准确合理的轴箱体强度计算结果，本文基于ANSYS 有限元软件的接触单元算法对某 型车轴箱体进行了强度计算，计算结果表明，轴箱体与车轴之间的接触压力分布极不均匀，并 随载荷和边界条件变化。根据结构应力计算结果对结构的静强度与疲劳强度进行了评价。 [ 关键词 ] 轴箱体 接触问题 有限元 强度分析 Strength Analysis of Axels Box of Railway Vehicle based on Contact Algorithm [Liu Xinglong] [National Engineering Laboratory for System Integration of High-speed Train （South），CSR Qingdao Sifang Co., Ltd.] [ Abstract ] In order to make the strength analysis of axles box be reasonable and accurate. the contact element algorithm is used to perform the strength analysis of axels box with finite element package ANSYS. The simulation result shows that the contact pressure distribution is not uniformed and varies with the load form and the boundary constraint condition. the static and fatigue strength of the structure is evaluated based on the result of von Mises and principle stress. [ Keyword ] axels box, contact problem, finite element method, strength analysis 1 前言 轴箱体是轨道车辆中的一个重要部件，它不仅承受车辆的重量，而且传递轮轨与车辆 [1] 之间各方向的振动冲击载荷 。为了保证轴箱体结构设计满足使用要求, 需要采用有限元法 对其刚度和强度进行分析校核。轴箱体通过滚动轴承安装于车轴两端轴颈处，即轴箱体结 构存在接触约束边界条件，由于轴箱体结构形式及载荷作用比较复杂，所以很难对这种接 触边界条件进行准确合理的简化。为此本文基于ANSYS 软件的接触单元算法对轴箱体的 强度进行了计算分析。 ANSYS 软件的接触单元算法主要包括罚函数法，拉格朗日乘子法和扩展的拉格朗日乘 [2] 子法 。罚函数法只能获得接触问题的近似解，其求解精度很大程度上依赖于罚数的选择， 过大的罚数可能引起方程的病态，该算法的优点是不增加系统的求解规模。拉格朗日乘子 法通过引入拉格朗日乘子以精确地满足接触约束条件，但求解规模增大，而且总体刚度矩 阵中出现了零主元，需要进行多次迭代才能获得稳定的接触状态。扩展的拉格朗日乘子法 是上述两种算法的组合,该算法吸收了罚函数法和拉格朗日乘子法的优点，又不增加系统的 求解规模，而且收敛速度比较快。ANSYS 软件推荐采用扩展的拉格朗日乘子法求解接触问 题。 2 箱体有限元模型 2.1 轴箱体有限元模型 本文所分析的轴箱体为转臂与轴箱一体式结构 （见图