Abaqus在铁路机车行业CAE分析中的应用

 铁路是我国的主要运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用。体力的客货运输量占我国总运量的50%,是国民经济的发展先导。近年来，国民经济迅猛发展，由于以前忽视了对铁路的投入，铁路运输已经成为制约国民经济发展的瓶颈。现在，政府正在加大基础设施的建设，以改变铁路发展的落后状态。

铁路车辆分析中的应用

铁路车辆是铁路运输中直接载运旅客和货物的工具，是铁路中的一个主要环节。作为轮轨车辆的一种，铁路车辆具有：自行导向、低运行阻力、成列运行等特点。由于机车沿轨道运行，没有独立操纵运行方向的机构，车与车之间需设置连接缓冲装置进行动力传递，因此连接缓冲装置的设计非常重要。同时，随着经济发展，运输对车辆的要求越来越高，车辆上的各种装备货物越来越多，因此，车辆的设计和制造应采用新的材料、工艺和结构来降低自身重量，负载更多的货物，而这种新的设计有必须经过相关的强度刚度校核。

铁路机车从出现至现在，由于不同目的、用途和运用条件，车辆的结构和类型形形色色，但总的来说，可以概括为一下五个基本部分：

车体：是容纳运输对象的地方，是安装和连接其他四个组成部分的基础。

走行部：其介于车体和轨道之间，引导车辆沿着钢轨行驶和承受来自车体以及线路的各种载荷并缓和动作用力，是保证车辆运行品质的关键部件，也称为转向架。

制动装置：是保证列车准确停车及安全运行所必不可少的装置。由于整个列车的惯性很大，不仅要在机车上设置制动装置，还必须在每辆车上设置制动装置。

连接缓冲装置：车辆要成列运行，一定要接触连接装置，同时还应在每列车之间设置缓冲装置以缓和列车的冲动。

车辆内部设备：是可以为运输对象服务而设置于车体内的固定附属装置。如客车上的卧铺，行李架等等。

行走部分析中的应用

行走部是机车运行中的主要部件，在行走部的设计中必须考虑以下内容：

1.强度和刚度：行走部必须保证足够的刚度和强度，特别是转向架构架对刚度的要求比较高，因为它是转向架的基础，若刚度部足，回影响各部分之间的相对位置。

2.运行稳定性：机车在直道上运行时，应具有良好的横向稳定性，即机车达到最大速度时，决不允许发生蛇行失稳。

3.运行平稳性：机车的运行平稳性表示人所感觉到的机车运行的品质，在平稳性的考核中包括振动加速度，频率，方向和持续时间。

4.曲线通过性：机车的曲线通过性差可以引起机车的脱轨，造成轮缘与曲线轨侧磨增加。

5.对线路的动力作用：轮轨之间的正载荷一般不会造成危害，重要的是机车运行时产生的动载荷回微机安全。轮对作用于线路的动作用力随着车速的增高而增加。

6.结构简单、安全可靠、维修量小。

转向架构架结构动力响应仿真与疲劳寿命预测

近年来的铁路提速实践中暴露出的问题表明，提速客车转向架的主要安全隐患就是疲劳腐蚀引起的结构失效，而结构早期疲劳的发生主要原因是由于轨道车辆运行速度的提高引起结构的动应力剧增。结构加速疲劳失效故障既对旅客出行造成很大的安全隐患，也会使铁路的经济乃至声誉蒙受损失。因而如何使提速机车车辆承载结构在其设计寿命期的运行时间内保持较高的安全可靠性，以确保铁路客运的安全，已成为我国铁路可持续发展中一个引人关注的研究课题。

结构动力响应研究构件在各种随时间变化的动载荷（包括运动物体受到的动态或瞬态力与加速度，结构承受的地震和冲击波引起的加速度激励等）作用下的应力位移等响应特性 。ABAQUS提供从稳态响应到随机振动的强大的的线性动力学分析功能。ABAQUS提供LANCZOS特征值求解器，对大规模模型进行快速，准确的特征频率提取，极大的提高了分析求解速度。同时，在新的V6.6版本中，ABAQUS推出了新的AMS特征值求解器，已具有127，000个单位800,000自由度的白车身模型为例，提取前1000阶频率，所花时间为原来求解器的六分之一。

在分析中通过线路实测用加速度测试仪测得关注部位的加速度历程，然后选取典型谱，以激励的形式施加到模型上，由响应计算得出结构模型的动应力，动应变等，然后就能够进一步应用FE-SAFE疲劳分析模块分析结构疲劳特性。

转向架强度分析

机车转向架的强度校核是机车设计中主要的考虑因素，也是机车CAD模型完成后进行的头一个分析。转向架的受力状况比较复杂，侧向力，垂向力，纵向力等，如果对单一工况进行分析则计算量很大，效率低下，ABAQUS提供多工况分析功能，可以在分析中，将所有的工作状况全部求解。这样，既可以节省分析时间、缩短研发时间，又可以提高工作效率。

以汽车底盘和车架的稳态响应分析为例，采用多工况分析，将使分析时间提高至单一工况分析的十分之一。

弹簧装置分析

行走部弹簧有两个作用，一是给机车车轴以一定的重量分配，并使所分配的重量在车辆行经不平线路时不致发生显著变化；二是当机车行经线路部平顺处或因车轮不圆而发生冲击时，其可对机车所受的冲击具有一定的减缓作用，因此，弹簧的作用非常重要，同时也是受力比较复杂的行走部装置。

V型弹簧三向刚度分析

V型弹簧是机车车辆转向架尤其是高速客车和地铁转向架普遍采用的关键部件。其三向刚度特性对车辆的运行品质产生十分重要的影响。V型弹簧是一种“三明治”式的金属橡胶结构，具有良好的垂向动态性能，同时在轴箱悬挂中兼起轮对导向作用，以保证机车（地铁）在通过曲线时，轮对能自行进行径向调节，在直线上又可抑制轮对的蛇行运动，防止高速时不稳定运行。因此，为减小机车的动力响应，改善结构平稳性指标，保持曲线运行的稳定性，需要在转向架上装置v型弹簧，以实现三个方向的刚度匹配。

V型弹簧由橡胶超弹性材料构成，具有高度的材料非线性，在工作载荷作用下变形很大，应用小变形线性理论分析无法求解。目前应用的经验公式误差较大，已失去了实用意义。为确定产品结构，进行设计时，通常是先出实验样机，然后进行样品三向刚度实验，根据样品实验的结果，对产品结构进行修改，反复循环设计修改一样品实验，直到设计能满足产品所需技术要求。

ABAQUS软件具有强大的非线性分析功能，是橡胶材料有限元分析的标准软件，提供了丰富的橡胶材料本构，同时还可以考虑橡胶材料的粘弹性和应力软化等材料行为。同时，利用借助ABAQUS优化设计功能，可以对影响三向刚度因素进行参数化处理。

空气弹非线性有限元分析簧的

对空气弹簧的有限元分析比较复杂，因为涉及了有限元力学分析中的各类非线性问题，具有强烈非线性行为的橡胶材料，弹簧的大变形等，并要对空气弹簧中的气体进行适当的模拟，这样才可能得到有价值的结果。Abaqus提供相关的气体单元可以使胶囊中的气体进行模拟分析。

车体分析

车体是容纳运输对象的装置，在整个车辆的自重中，车体所占的比例最大。在当前车辆轻量化、高速化的趋势中，也是所受影响最大的机车部分。采用新材料，新工艺对车体实施轻量化后必须对其强度刚度进行评估，以使其在减重的同时还可以保持同样或更高的强度。

同时，车辆减重后不可避免地会带来结构振动,噪声增加等问题,此时就要关注车体动态特性,要对车体进行模态分析。

利用ABAQUS的非线性求解器，可以对工作中存在大变形以及接触问题的强度刚度问题进行快速准确的计算。同时，对于象车体这样的复杂的大规模模型，ABAQUS还提供了子模型分析功能。在进行了总体分析以后，可以把自己敢兴趣的区域进行网格的细化，将总体模型中得到的载荷以及边界条件加到子模型中，进行进一步的分析。

ABAQUS中的Lanczos求解器可以快速准确的进行特征值的提取。图为上海柴油机利用ABAQUS的模态分析功能对某直列六缸发动机进行有限元分析并于LMS试验机得到的内容相比较，由分析结果可知，有限元数据与试验结果有着很好的吻合。

铁路轨道分析中的应用

铁路轨道结构由钢轨，弹性扣件，垫层，轨枕，道床和路基等材料组成，是一个十分复杂的系统。从受力角度看，轨道结构承受的是来自机车和车辆随机的三向动荷载，且列车在运动过程中除轮轨间存在着巨大的接触应力外，还伴随着蠕滑现象。在反复荷载的作用下，钢轨会产生疲劳损伤、折断和裂纹；由于温差的存在，无缝线路会发生失稳，引起胀轨跑道；由于线路的不平顺，列车会发生蛇行运动等。从材料角度看，钢轨在轮轨接触处，由于存在巨大的接触应力会发生屈服，在制动力和曲线侧向切削力的作用下又会发生损伤；作为道床组成材料的石碴，是散体材料，连续介质分析方法难以得到正确的结果。这一切都说明，传统的轨道结构分析方法，不能适应现代铁路轨道结构的需要。七十年代以来，由于计算机的迅速发展，工程结构数值分析方法越来越广泛的应用于工程实际中，使工程中的大量复杂问题的求解成为可能。

轮轨相互接触应力的分析

沿钢轨滚动的车轮，除了引起钢轨的弯曲应力外，还在轮轨接触点处引起局部的接触应力。当车轮的轮箍压在钢轨踏面的时候，二者之间的受压面积很小，出现局部的应力集中，产生大大超过材料屈服点的接触应力，引起头部的压溃，材料流动或形成高低不平的波浪形轨面，而材料较脆的时候，会产生头部劈裂和其他种类的钢轨损伤。

ABAQUS具有强大的接触模拟功能，可以模拟变形体与变形体、刚体与变形体以及变形体自身的接触。此外，ABAQUS还提供了从有限滑动到小滑动的各种类型的接触模拟功能。针对工业中应用较多的过盈配合，大滑动，垫片接触等现象，ABAQUS提供了丰富而强大的功能进行处理。此外，在接触问题的收敛性和精确度方面，ABAQUS提供了强大的功能，新推出的SURFACE-TO-SURFACE的接触功能，可以准确而快速的模拟各种接触问题。

轮轨动力学分析

随着国家经济的发展，铁路客货运输的任务日益繁重。新型机车车辆的设计，制造和线路维护都需要预知轮轨之间的动力学性能特性，将车辆与轨道的模型一起综合考虑分析。

当列车以一定速度通过轨道时，车辆和轨道都有在空间各个方面产生振动，其原因是多方面的，如：机车动力作用，速度的影响，轨道的不平顺，车辆安装的偏心等，因此情况较为复杂。而所以的这些振动都可能回对列车的平稳性产生影响。

利用ABAQUS的线性动力学分析功能，可以对轨道结构的空间自有振动，以及在各种支撑条件下的固有频率和固有振动特性，结合车辆蛇行运动稳定性，对轨道结构的设计进行全面的评估。

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