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1、基于CAE的转K6型转向架摇枕结构优化第3O卷第5期2010年10月铁道机车车辆RAIIWAYLOCOMOT1VE&CARVo1.3ONo.50ct.2O10文章编号:1008—7842(2010)05—0040—04基于CAE的转K6型转向架摇枕结构优化刘运兵,h继玲,王小中,向阳(西南交通大学机械工程学院,四川成都610031)摘要为实现铁路货车转向架摇枕结构最优的目的,在Pro/E三维建模基础上,采用铸造模拟软件ProCAST对转K6型转向架摇枕的凝固过程进行了数值模拟,数值模拟训'算结果显示铸件的凝固顺序.通过温度场分析,
2、找出铸造热节,对产品结构设计不合理的区域进行改进.运用有限元软件ANSYS对改进后的摇枕结构进行静强度分析,确保满足铁道部相关标准的使用要求.关键词摇枕;铸造模拟;铸造热节;结构优化;有限元分析中图分类号:U272.331文献标志码:A随着我国铁路货物运输向重载和快速两个模式发展,铁路货车开始大量使用最高运营速度为120km/h的转K6型转向架.这种转向架属于典型的3大件式转向架,侧架和摇枕都为铸造结构.摇枕作为铁路货车转向架最关键的铸钢件之一,其设计和制造质量对转向架的运行品质和行车安全起着重要作用.其结构既要具备设计强度的可靠性,又要
3、体现良好的结构工艺性.在满足强度的条件下,通过改变摇枕结构,减少其质量是实现货车轻量化的有效方法.摇枕结构复杂,主要采用铸造工艺方法生产,且铸造工艺较为复杂,当铸件结构改变时,铸造工艺必然要进行相应的调整.目前工厂大多采用建立在大量试验基础上的试凑法来确定摇枕的铸造工艺,生产成本高且生产周期较长.由于计算机技术的迅猛发展,计算能力显着的增强,特别是近年来计算结果后处理技术的发展,极大的促进了计算机辅助工程技术(CAE)在各行业的应用.铸造CAE模拟技术是利用计算机技术改造和提升传统铸造技术,对降低产品的成本,提高铸造企业的竞争力有着不可替
4、代的作用,它的应用和推广为铸造行业带来很大的经济和社会效益.ProCAST是一种基于有限元理论的铸造专业数值模拟软件,能够对铸件在形成过程中的流场,温度场和应力场进行仿真分析,通过数值模拟和物理模拟相结合的方法,实现了计算机模拟生产,动态显示工艺历程,预测缺陷,辅助工艺改进,最终能够达到控制铸件质量的目的.1转K6型转向架及摇枕的基本结构1.1转向架的基本结构转K6型转向架适用于标准轨距,轴重25t,最高商业运行速度120km/h的各型铁路提速重载货车.整个转向架自重4.8t,主要由摇枕,侧架,轮对,悬挂系统和基础制动装置等组成.一系悬挂
5、采用轴箱弹性剪切垫,二系悬挂采用带变摩擦减振装置的中央枕簧悬挂系统.两侧架之间加装侧架弹性下交叉支撑装置.1.2摇枕的结构特点转K6摇枕属于弧形箱式结构,比较复杂,如图1,材质采用B级钢,钢种牌号为ZG25MnCrNi,轮廓尺寸为2429mm×470mln×420mm,质量为640kg.中间有4个工艺孔,内部有筋板连接上下壁,底部平均壁厚为33mm,圆弧过渡处是底部最厚的部位(36mm),铸件的壁厚不均匀,特别是中问筋板与心盘面及底部位弧面相连接处,壁厚差较大,易出现裂纹缺陷,弹簧承台面,两斜楔中心距的尺寸,旁承盒尺寸等组装配合面部位尺寸
6、精度要求高.图l摇枕1/4结构图2摇枕铸造过程凝固模拟2.1铸件数值模拟的前处理(1)CAD建模及网格划分考虑到模型的对称性,为了节约模拟计算时问和能更好的观察摇枕铸造凝固过程的凝固顺序,取摇枕的*西南交通大学科学研究基金项目资助(X1200711020908)刘运兵(1986一)男,重庆合川人,硕士生(收稿日期:201005—13)第5期基于CAE的转K6型转向架摇枕结构优化411/4模型进行模拟分析.用有限元分析的高级前处理软件ANSA进行单元长度为8mm的面网格划分,输出Ideas格式文件扩展名为.unv,导入MeshCAST进行体
7、网格划分,最终划分为75116个节点和348070个单元.(2)热物性参数的建立热物性参数的选择合理与否对模拟计算准确性起着决定性影响.鉴于目前B级钢的热物性参数不齐全,利用ProCAST自身提供的热力学数据库计算出B级钢的热物性参数,输入B级钢的化学成分如表1.砂型选用ProCAST自带的树脂沙.表1B级钢的化学成分%牌号CSiMnPSCrNiCu7G25MnCrNi025035]00.0】0.0]0.450.350.2(3)浇注工艺参数设置铸件初始温度为浇注温度1550℃,铸型初始温度为环境温度25℃.2.2铸件凝固过程数值模拟(1)
8、凝固过程温度场凝固过程温度场反映凝固过程中铸件各部位的温度变化,其温度分布反映铸件在某时刻上各个部位的温度场,通过温度场分析,找出摇枕铸件的铸造热节.如图2所示.从凝固过程温度场可以看出,由于
