基于Abaqus转向架对角线检具热变形仿真分析

李寿全， 李林杰， 王宏宇， 彭程

（中国北车齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161002）

0 引言

货车的走行部分称之为货车转向架，车体重量支撑其上并可与车体相互转动，是铁路货车重要的组成部分，其主要作用是承受和传递车辆在运行中的各种动载荷及轮轨间的作用力，保证货车安全地在直线和曲线区段上运行，并实现传递牵引力和车辆制动的功能。为了控制转向架质量，设计了转向架对角线检具，以检测转向架侧架内外导框交线组装尺寸，其检测位置如图1所示。

图1 检测位置示意图

检具外形尺寸为3 286 mm，检测尺寸为2 076 mm，检测时需2人操作,结构如图2所示。由于检具外形尺寸和测量尺寸较大，对温度较敏感，为了研究温度变化对其尺寸精度影响，采用达索公司非线性通用有限元分析软件Abaqus对其进行热变形仿真分析［1］。借助于Abaqus平台，能够准确得到检具测量值随温度变化曲线，工程技术人员可以此曲线为参考，在避免复杂实验的条件下，获得不同使用温度环境对应的检具制造公差，从而达到优化设计方案的目的。

图2 检具结构图

1 模型建立

1.1 热应力物理方程

若物体内部存在误差分布 ΔT（x，y，z）因温差引起的热膨胀量为αTΔT，αT为热膨胀系数，物体的物理方程由于引入了热膨胀量，将变为［2］

1.2 网格及材料属性

表1 45钢材料属性

该检具由多个零件组成，采用第三方网格划分工具划分网格，并以inp文件导入Abaqus软件中［3］，测得有 C3D8型六面体单元 128 391个，C3D4型四面体单元29 310个，实体单元数共计157 701个。整个零件采用45钢，在定义材料的热膨胀系数时，参考温度为273 K。其材料属性如附表1所示。

1.3 边界载荷及分析步

该检具为手持式检具，使用时双人握紧把手，为了研究热影响，忽略检具所受重力，设置边界条件［4］。建立1个通用静力学分析步骤，时间为1 s。在系统默认初始分析步创建初始温度场，大小为273 K，在通用静力学分析步将温度场定义为301 K，以此来模拟温度在0～28℃之间变化对检具精度的影响。为了准确地反映温度变化对测量精度影响，取编号21 136和20 261的2个节点，并以检具长度方向位移U3作为历史历程输出。

1.4 相互作用及作业

检具由多个零件组成，其连接主要有焊接、螺栓连接、螺钉连接等，其相互作用以接触为主。考虑到研究目的主要是温度对其尺寸精度影响，并不考虑局部接触应力大小，为避免复杂的非线性接触运算［5］，节省计算成本，提高分析效率，假设各零部件之间接触部分具有相同自由度，以tie的连接形式为主，建立作业，并提交分析。

2 分析结果

2.1 应力应变

经过6个增量步和6次迭代，该分析得到了收敛。为了更清楚地显示变形情况，将变形显示比例缩放至20倍，其应力、应变结果如图3、图4所示。由图3、图4可知，该检具的最大应力为67.7MPa，最大变形为0.5492mm，未达到45钢材料屈服极限355 MPa。

图3 miss应力图

图4 应变图

2.2 节点位移

为了研究温度变化对其精度影响，选取节点号21 136和20 261作为历史历程输出，经过后处理，得到两点间距离随温度变化曲线，如图5所示。分析结果表明，在温度 0～28℃之间，测量点的距离由2 706 mm变为2 706.88 mm。

图5 测量点间距随温度变化曲线

3结语

以Abaqus软件为平台，根据转向架对角线检具的几何与结构特点，采用了C3D8和C3D4两种单元类型，简化了模型，避免了复杂了接触分析［6-7］，考虑到温度场对精度影响，得到了检测尺寸随温度变化曲线。分析结果表明，当温度在0～28℃之间，检具的最大应力为67.7 MPa，测量尺寸由2 706 mm变化为2 706.88 mm。

图6 检具实物图

对于测量尺寸较大的铁路货车量检具产品，其检测精度随温差变化较大，设计量检具时，可通过数值分析方法得到检具检测尺寸随温度变化曲线，并根据该曲线定制合理的制造公差要求。从制造的结果（图6）来看，该方法能有效地保证检具的测量精度，提高产品研发效率，对量检具的设计研究具有重要的参考意义。

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