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隨著我國鐵路第六次大提速，客運速度在部分主干線上已經(jīng)達到了200 km/h。研究表明，當客運速度達到160 km/h時，則貨運速度要相應(yīng)提高到120 km/h，才能使客、貨運相互匹配而不影響鐵路運能。目前我國鐵路線路上在用的貨車中，除裝配有設(shè)計時速為120 km/h的轉(zhuǎn)K2型等轉(zhuǎn)向架的貨車車輛外，還有6萬余輛裝有設(shè)計時速為100 km/h的轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架的車輛在使用。因此，轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架的提速已經(jīng)納入主管部門的議事日程。轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架是為了適應(yīng)提速要求在原轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上，在側(cè)架之間加裝了彈性下交叉支撐裝置改造而成。轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架在轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上采用了新設(shè)計的增加了壁厚的新結(jié)構(gòu)側(cè)架，其余零部件與轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架相同。側(cè)架是轉(zhuǎn)向架的主要承載部件，其強度性能直接關(guān)系到車輛的行車安全。為了進一步考證轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型兩種側(cè)架的強度性能，本文運用有限元分析軟件ANSYS對其進行了靜強度分析，并對計算結(jié)果進行了比較研究。
ANSYS是美國ANSYS公司開發(fā)的功能強大的有限元通用軟件，具有強大的前處理、求解和后處理功能，目前在鐵路車輛部門已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，本文對轉(zhuǎn)8AG型與轉(zhuǎn)8G型側(cè)架的強度性能采用ANSYS版本進行計算分析。
利用計算機輔助設(shè)計軟件Solidworks，根據(jù)設(shè)計圖紙可以建立轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型側(cè)架的三維實體模型。將側(cè)架的三維實體模型通過Parasolids接口從Solidworks引入到ANSYS中，對其進行模型離散。為了盡量減少有限元模型的單元數(shù)量，將三維實體模型中對分析結(jié)果影響較小的部位進行了適當簡化。利用側(cè)架幾何結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，可取其一半進行分析，在模型離散的基礎(chǔ)上對幾個重點部位進一步細化來提高計算精度。轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架采用10節(jié)點四面體單元進行有限元離散，半個側(cè)架共離散單元48150個，產(chǎn)生節(jié)點85745個，其有限元模型見圖。轉(zhuǎn)8G型側(cè)架同樣采用10節(jié)點四面體單元進行有限元離散，半個側(cè)架共離散單元41782個，產(chǎn)生節(jié)點74547個，其有限元模型見圖。
依據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)確定計算載荷。在側(cè)架彈簧承臺面上施加垂向載荷1.5C，在側(cè)架兩立柱上施加垂直于側(cè)架平面的橫向載荷0.4C。C為輪對兩軸頸的垂向靜載重，其值等于軸重減去輪對自重，轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架采用D軸，其軸重為205。8 kN，輪對自重為10.64 kN，則C=205.8-10.64=95.16 kN，1.5C=292.74 kN，0.4C=78.06 kN。施加載荷時，垂向載荷平均作用在7處彈簧支承面上，每處載荷292.74/7=41.82kN，因取半個側(cè)架為模型對象，所以中間彈簧支承面上的載荷為41.82/2=20.91 kN，其余3個彈簧支承面上的載荷為41.82 Kn；橫向載荷平均作用在側(cè)架兩立柱的楔塊磨耗板座處，半個側(cè)架的橫向載荷為78.06/2=39.03 kN，力的方向由內(nèi)側(cè)即制動滑槽的一側(cè)指向外側(cè)。垂向載荷單獨作用時，在模型的對稱截面上施加對稱約束，并約束軸箱垂向支承處單元的垂向線位移自由度；垂向載荷和橫向載荷聯(lián)合作用時，在模型的對稱截面上施加對稱約束，并約束軸箱垂向支承處單元的垂向線位移自由度和外側(cè)軸箱面的橫向線位移自由度。
按單獨施加垂向載荷和垂向、橫向載荷聯(lián)合作用兩種工況進行計算。轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架在兩種工況下的載荷及約束分別見圖。轉(zhuǎn)8G型側(cè)架的載荷及約束同轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架。
在上述有限元模型、邊界條件和載荷作用下，用ANSYS對轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架進行計算。兩種工況下重點部位的應(yīng)力計算結(jié)果見表，在聯(lián)合工況下的應(yīng)力分布見圖。
從轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架應(yīng)力分布圖可以看出，應(yīng)力最大部位分別發(fā)生在承臺下部拐角處(C部位)、軸箱拐角處(A部位)、三角透視孔下邊緣(B部位)，應(yīng)力值分別為172.20 MPa(滑槽側(cè))、147.11 MPa(無滑槽側(cè))、146.14 MPa、125.02 MPa。從轉(zhuǎn)8G型側(cè)架應(yīng)力分布圖可以看出，應(yīng)力最大部位同樣發(fā)生在承臺下部拐角處(C部位)、軸箱拐角處(A部位)、三角透視孔下邊緣(B部位)，應(yīng)力值分別為167.69 MPa(滑槽側(cè))、134.12 MPa(無滑槽側(cè))、104.81 MPa、106.81 MPa。《規(guī)范》規(guī)定B級鋼的許用應(yīng)力為150 MPa。可以看出，轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型側(cè)架除承臺滑槽側(cè)拐角的應(yīng)力超出了材料的許用應(yīng)力外，其余部位均滿足強度要求。分析認為，由于承臺拐角處的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和計算條件的有限限制了模型的規(guī)模，計算時，承臺拐角處倒角邊線的單元易發(fā)生單元歧義，導(dǎo)致該處有較大的應(yīng)力集中因子，使得其計算應(yīng)力值偏高于實際應(yīng)力值。
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