1、基于CAE的轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架搖枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化第3O卷第5期2010年10月鐵道機車車輛RAIIWAYLOCOMOT1VE&CARVo1.3ONo.50ct.2O10文章編號:10087842(2010)05004004基于CAE的轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架搖枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化劉運兵,h繼玲,王小中,向陽(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,四川成都610031)摘要為實現(xiàn)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架搖枕結(jié)構(gòu)最優(yōu)的目的,在Pro/E三維建?；A(chǔ)上,采用鑄造模擬軟件ProCAST對轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架搖枕的凝固過程進行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬訓(xùn)'算結(jié)果顯示鑄件的凝固順序.通過溫度場分析,找出鑄造熱節(jié),對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的區(qū)域進行改

2、進.運用有限元軟件ANSYS對改進后的搖枕結(jié)構(gòu)進行靜強度分析,確保滿足鐵道部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的使用要求.關(guān)鍵詞搖枕;鑄造模擬;鑄造熱節(jié);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;有限元分析中圖分類號:U272.331文獻標(biāo)志碼:A隨著我國鐵路貨物運輸向重載和快速兩個模式發(fā)展,鐵路貨車開始大量使用最高運營速度為120km/h的轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架.這種轉(zhuǎn)向架屬于典型的3大件式轉(zhuǎn)向架,側(cè)架和搖枕都為鑄造結(jié)構(gòu).搖枕作為鐵路貨車轉(zhuǎn)向架最關(guān)鍵的鑄鋼件之一,其設(shè)計和制造質(zhì)量對轉(zhuǎn)向架的運行品質(zhì)和行車安全起著重要作用.其結(jié)構(gòu)既要具備設(shè)計強度的可靠性,又要體現(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)工藝性.在滿足強度的條件下,通過改變搖枕結(jié)構(gòu),減少其質(zhì)量是實現(xiàn)貨車輕量化的有效方法.搖枕

3、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主要采用鑄造工藝方法生產(chǎn),且鑄造工藝較為復(fù)雜,當(dāng)鑄件結(jié)構(gòu)改變時,鑄造工藝必然要進行相應(yīng)的調(diào)整.目前工廠大多采用建立在大量試驗基礎(chǔ)上的試湊法來確定搖枕的鑄造工藝,生產(chǎn)成本高且生產(chǎn)周期較長.由于計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,計算能力顯著的增強,特別是近年來計算結(jié)果后處理技術(shù)的發(fā)展,極大的促進了計算機輔助工程技術(shù)(CAE)在各行業(yè)的應(yīng)用.鑄造CAE模擬技術(shù)是利用計算機技術(shù)改造和提升傳統(tǒng)鑄造技術(shù),對降低產(chǎn)品的成本,提高鑄造企業(yè)的競爭力有著不可替代的作用,它的應(yīng)用和推廣為鑄造行業(yè)帶來很大的經(jīng)濟和社會效益.ProCAST是一種基于有限元理論的鑄造專業(yè)數(shù)值模擬軟件,能夠?qū)﹁T件在形成過程中的流場,溫度場和應(yīng)

4、力場進行仿真分析,通過數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合的方法,實現(xiàn)了計算機模擬生產(chǎn),動態(tài)顯示工藝歷程,預(yù)測缺陷,輔助工藝改進,最終能夠達到控制鑄件質(zhì)量的目的.1轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架及搖枕的基本結(jié)構(gòu)1.1轉(zhuǎn)向架的基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架適用于標(biāo)準(zhǔn)軌距,軸重25t,最高商業(yè)運行速度120km/h的各型鐵路提速重載貨車.整個轉(zhuǎn)向架自重4.8t,主要由搖枕,側(cè)架,輪對,懸掛系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動裝置等組成.一系懸掛采用軸箱彈性剪切墊,二系懸掛采用帶變摩擦減振裝置的中央枕簧懸掛系統(tǒng).兩側(cè)架之間加裝側(cè)架彈性下交叉支撐裝置.1.2搖枕的結(jié)構(gòu)特點轉(zhuǎn)K6搖枕屬于弧形箱式結(jié)構(gòu),比較復(fù)雜,如圖1,材質(zhì)采用B級鋼,鋼種牌號為ZG25MnCr

5、Ni,輪廓尺寸為2429mm×470mln×420mm,質(zhì)量為640kg.中間有4個工藝孔,內(nèi)部有筋板連接上下壁,底部平均壁厚為33mm,圓弧過渡處是底部最厚的部位(36mm),鑄件的壁厚不均勻,特別是中問筋板與心盤面及底部位弧面相連接處,壁厚差較大,易出現(xiàn)裂紋缺陷,彈簧承臺面,兩斜楔中心距的尺寸,旁承盒尺寸等組裝配合面部位尺寸精度要求高.圖l搖枕1/4結(jié)構(gòu)圖2搖枕鑄造過程凝固模擬2.1鑄件數(shù)值模擬的前處理(1)CAD建模及網(wǎng)格劃分考慮到模型的對稱性,為了節(jié)約模擬計算時問和能更好的觀察搖枕鑄造凝固過程的凝固順序,取搖枕的*西南交通大學(xué)科學(xué)研究基金項目資助(X12007110

6、20908)劉運兵(1986一)男,重慶合川人,碩士生(收稿日期:20100513)第5期基于CAE的轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架搖枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化411/4模型進行模擬分析.用有限元分析的高級前處理軟件ANSA進行單元長度為8mm的面網(wǎng)格劃分,輸出Ideas格式文件擴展名為.unv,導(dǎo)入MeshCAST進行體網(wǎng)格劃分,最終劃分為75116個節(jié)點和348070個單元.(2)熱物性參數(shù)的建立熱物性參數(shù)的選擇合理與否對模擬計算準(zhǔn)確性起著決定性影響.鑒于目前B級鋼的熱物性參數(shù)不齊全,利用ProCAST自身提供的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計算出B級鋼的熱物性參數(shù),輸入B級鋼的化學(xué)成分如表1.砂型選用ProCAST自帶的樹脂沙.表1B級

7、鋼的化學(xué)成分%牌號CSiMnPSCrNiCu7G25MnCrNi02503500.0】0.00.450.350.2(3)澆注工藝參數(shù)設(shè)置鑄件初始溫度為澆注溫度1550,鑄型初始溫度為環(huán)境溫度25.2.2鑄件凝固過程數(shù)值模擬(1)凝固過程溫度場凝固過程溫度場反映凝固過程中鑄件各部位的溫度變化,其溫度分布反映鑄件在某時刻上各個部位的溫度場,通過溫度場分析,找出搖枕鑄件的鑄造熱節(jié).如圖2所示.從凝固過程溫度場可以看出,由于搖枕各相鄰壁厚相差較大,并不是順序凝固.在搖枕心盤面跟搖枕底面圓弧過渡處存在較大的鑄造熱節(jié).(2)凝固過程固相率凝固過程固相率反映鑄件各部位凝固的先后順序,圖2凝固過程溫度場與凝固

8、過程溫度場相結(jié)合,判斷凝固過程有無產(chǎn)生孤立熔池,從而判斷是否會產(chǎn)生鑄造缺陷.在判斷孤立熔池時,根據(jù)文獻1,設(shè)置臨界固相率為0.7,如圖3所示.由圖2和圖3可以看出,搖枕在凝固過程中并不是順序凝固,存在許多孤立熔池,從而可能導(dǎo)致縮松縮孔等鑄造缺陷.對于上箱中的鑄造缺陷可以添加冒口,下箱中缺陷放置冷鐵來予以消除.在圖3中,A處存在一個大的孤立熔池,放置冒口則造型不便,且冒口在鑄件內(nèi)腔,不好清理;放冷鐵則面圖3凝固過程孤立熔池42鐵道機車車輛第3O卷積太大,也不好徹底解決縮的松縮孔.可將A與C處的壁厚改成一樣或者減小相差的壁厚,以減少熱節(jié),用少量冷鐵或不用冷鐵即可得到致密鑄件.在搖枕中央的腹板B處,

9、存在一個凸臺,從而產(chǎn)生孤立熔池,在此不方便加冷鐵,如果加上冷鐵可能阻止下蓋板的補縮通道.由于凸臺在功能上只起增加強度的作用,可考慮將該凸臺去掉,或?qū)⒃撏古_上部薄壁部分加厚,以利于從頂部冒口得到補縮.3改進結(jié)構(gòu)后搖枕靜強度分析轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架搖枕靜強度分析主要參照TB/T13351996鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范的靜強度要求和TB/T1959-2006鐵道貨車搖枕,側(cè)架靜載荷及疲勞試驗的靜剛度要求進行,其載荷值及載荷工況如下.3.1計算載荷及工況設(shè)置根據(jù)TB/T1335中8.6.2規(guī)定,搖枕的作用載荷有垂向載荷P和沿車體縱向作用的水平力0.25P.垂向載荷作用在下心盤面和旁承面上,而縱向水平力

10、作用于下心盤一側(cè).搖枕還需計算沿車體縱向單獨作用的水平力0.8P的應(yīng)力.此力以集中力形式作用在搖枕中央的腹板上,搖枕兩端與側(cè)架立柱接觸面處以剛性支承.根據(jù)TB/Tl595中4.2.2規(guī)定,當(dāng)搖枕心盤承受垂向載荷1.43P時,最大垂向撓度不得超過2.31mm.根據(jù)以上載荷分析,計算中分為以下3種載荷工況.圖4搖枕有限元模型圖撓度計算工況:垂向載荷1.43P;載荷工況1:垂向載荷P+縱向水平力0.25P;載荷工況2:縱向水平力0.8P.其中P為一個轉(zhuǎn)向架的垂向靜載荷,其值等于轉(zhuǎn)向架軸重與軸數(shù)的乘積減去轉(zhuǎn)向架自重.3.2有限元分析在ANSYS中建模時,采用SHELL63單元對搖枕進行離散.整個搖枕模

11、型一共有15569個單元,15029個節(jié)點.其有限元離散模型如圖4所示.根據(jù)鑄造CAE軟件模擬的結(jié)果,對圖3中A,B兩處的厚度進行了修改,將A處的厚度由36mm降低到下蓋板D處相同的厚度28mm,去掉B處的凸臺,使中間腹板厚度一致.(1)撓度計算工況搖枕在垂向載荷1.43P的作用下,搖枕下蓋板中心線相對于支撐點處的最大垂向撓度1.177mm,小于TB/T1595中的要求.可見,搖枕整體的垂向剛度較好,如圖5所示.(2)載荷工況1搖枕在載荷工況1下的最大等效YonMises應(yīng)力為144.933MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在旁承工藝孔邊緣,但未超過TB/T1335規(guī)定的B級鑄鋼搖枕在載荷計算工況1的載荷作

12、用下許用應(yīng)力為151MPa,滿足設(shè)計要求,如圖6所示.N(AISOLU'IONMSL-I:0z(AV6)RSYS=017g一Ilaqx0711一-一e叼口廠一-一-一.圖5搖枕撓度圖圖6載荷工況1的搖枕等效應(yīng)力云圖(3)載荷工況2搖枕在載荷工況2作用下的最大等效VonMises應(yīng)力為172.524MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在枕頭過渡圓弧的A處,并且超過了TB/T1335規(guī)定的B一級鑄鋼搖枕在載荷計算工況2作用下的許用應(yīng)力為115MPa,不滿足設(shè)計要求,如圖7所示.根據(jù)以上分析,搖枕A處的厚度不夠,應(yīng)對其進行調(diào)整,經(jīng)過多次分析計算后,C處的厚度由28mm增加到30mm,將A處厚度由28mm增加

13、到32mm,使D,C,A平滑過渡,優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面圖如圖8所示.(4)搖枕結(jié)構(gòu)調(diào)整后的有限元計算結(jié)果通過有限元計算分析,在撓度工況下,搖枕下蓋板中心線相對于支撐點處的最大垂向撓度為1.135mm,小于2.31mm,滿足TB/T1595規(guī)定的要求.在載荷工況1作用下的最大等效VonMises應(yīng)力為136.909MPa,該應(yīng)力也出現(xiàn)在旁承工藝孔邊緣;在載荷工況2作用下的最大等效VonMises應(yīng)力為111.846MPa,該應(yīng)力出現(xiàn)在搖枕兩端的斜面交界處,都符合TB/T1335的要求,如圖9圖11所示.第5期基于CAE的轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架搖枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化43莎一,1m=luz_A)Rd日¨SMX0目J

14、I一_I-_II一.埔一l仰刪瑚嘲rn產(chǎn)瑚嫡_0刪圖7載荷工況2的搖枕等效應(yīng)力云圖圖8優(yōu)化后搖枕部分結(jié)構(gòu)圖圖9優(yōu)化后搖枕撓度圖圖10優(yōu)化后強度工況1的搖枕等效應(yīng)力云圖圖11優(yōu)化后強度工況2的圖12優(yōu)化后凝固過程孤立熔池搖枕等效應(yīng)力云圖4改進結(jié)構(gòu)后鑄造工藝分析改進結(jié)構(gòu)后搖枕凝固過程孤立熔池如圖12所示,從圖中可以看出中央腹板處的孤立熔池消失,A處的孤立熔池有所減小.在壁與底面連接處厚度較大,出現(xiàn)孤立熔池,可以添加隨形冷鐵,而在心盤處添加冒口,從而通過優(yōu)化鑄造工藝來消除鑄造缺陷.5結(jié)論(1)搖枕作為鐵路貨車最關(guān)鍵的鑄鋼件之一,其設(shè)計和制造質(zhì)量對轉(zhuǎn)向架的運行品質(zhì)和行車安全起著重要作用,在保證其結(jié)構(gòu)強

15、度的可靠性時,又要體現(xiàn)良好的加工工藝性,并嚴(yán)格控制其自重.(2)與原結(jié)構(gòu)相比,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)自重減輕,其強度既滿足了TB/T1335-1996的要求,同時又具有良好的加工工藝性.(3)隨著計算機技術(shù)的普及和不斷提高,CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高.合理運用CAE技術(shù),能夠有效的節(jié)約設(shè)計時間,降低產(chǎn)品的設(shè)計制造成本,對工程實際應(yīng)用有極大的指導(dǎo)作用.參考文獻1柳百成,荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制M.北京:機械工業(yè)出版社,2002.2楊軍,艾秀蘭,劉勝田.基于Pro/ENGNEER的鐵路貨車鑄鋼搖枕數(shù)值模擬J.計算機輔助工程,2009,18(2):4549.3廖永亮,繼玲,傅茂海.重載貨

16、車轉(zhuǎn)向架搖枕有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化J.鐵道機車車輛,2008,28(5):2831.4李立東,楊愛國.轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的研制EJ.鐵道車輛,2OO5,43(10):2225.StructureOptimizationoftheBolsterforZK6BogieBasedonCAELJ己,Yunbing,BUJiling,WANGXiaozhong,XIANGYang(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031Sichuan,China)Abstract:Toachievethegoalofstru

17、ctureoptimizationofthebolsterforrailwayfreightcarbogie,thecastingnumericalsimulationsoftwareProCASTisusedtosimulatethesolidificationprocessbasedonthePro/Emodeling.Thesolidificationsubsequenceofcastingisobtainedfromthesimulation.Accordingtotheanalysisofthetemperaturefield,thehotspotsarefoundandtheunreasonableregionsinstructuredesignof