基于ANSYS的高速客车转向架构架可靠性研究

摘要

结构设计参数的随机性是普遍存在的，而这种随机性的存在往往会带来结构响应参数的不确定性。在结构可靠性分析中，通过研究结构设计变量随机性对结构响应量的影响，可以给出衡量结构响应参数随机性程度的一个概率值，从而量化了响应量的这种不确定性。现代有限元技术和动力学仿真分析技术的发展，为结构可靠性分析技术在工程领域内推广提供了良好的契机。在铁道车辆组成部件中，转向架对保证铁道车辆运行品质尤为重要，在车辆运行过程中，转向架在承受着由车体和线路传来的各种载荷的同时，还要确保车辆具有良好的动力学性能，而构架作为转向架最重要的承载部件和安装基础，其结构可靠性一直都是转向架设计、分析所关注的焦点。
　　本文从结构可靠性角度出发，以我国某城际高速客车转向架构架为研究对象，考虑了构架设计中存在的随机因素，建立了构架静强度失效极限状态方程。首先，借助有限元分析软件ANSYS创建构架有限元模型，并结合相关标准对该构架静强度进行分析评估。同时利用UIC-ORE多轴应力转化为单轴应力疲劳强度评估方法，对该构架主体结构进行疲劳强度评定。结果表明，该构架静强度和疲劳强度均能够满足相关标准的评定要求。
　　在确定性分析中，构架静强度和疲劳强度能够满足相关标准的评估要求。而在本文进一步的构架静强度可靠性研究中，则考虑了设计变量的随机性。根据构架静强度计算结果，确定了两个构架静强度分析工况，利用ANSYS中集成的可靠性分析模块PDS，对构架静强度可靠性进行分析。由于两种分析工况各自的功能函数与载荷条件的不同，采用Monte Carlo法对构架进行可靠性分析，分析结果显示，构架在超常载荷工况作用下的可靠性分析循环中没有出现静强度失效样本，可以认为构架在该工况下静强度可靠。而模拟运营载荷作用下的构架静强度却存在着有一定的失效概率。构架可靠性灵敏度分析结果可以显示在诸多设计变量中寻找对构架静强度影响最显著的因素，研究结果表明，在超常载荷中的扭曲载荷与侧梁垂向载荷对构架静强度的可靠性有着显著影响。
　　随机输入变量数据的来源对可靠性分析结果十分重要。本文尝试利用从动力学仿真软件中获得的载荷数据作为可靠性分析中的载荷随机变量，通过动力学软件包SIMPACK建立整车动力学模型，并对其进行动力学仿真，获取作用于构架的各处载荷-时间历程，通过对各载荷时间-历程进行数理统计的处理，利用结果数据拟合得到构架静强度功能函数的响应面，并根据响应面数据整理出了近似功能函数的表达式。