摘 要：本文对CAD/CAE技术在轨道交通行业的使用现状进行了简要概括，并以某型动车组转向架构架为研究对象，对CAD/CAE技术的基本操作流程及可行性进行了说明。首先，通过CAD软件Por/E建立构架的三维实体模型，采用CAE软件ANSYS Workbench建立构架的有限元模型，完成了构架的静强度分析及疲劳强度校核，并对构架的模态进行了分析。分析结果表明，采用CAD/CAE技术有利于设计质量和设计效率的提升，并为后续的优化设计工作提供了分析基础。

关键词：CAD；CAE；轨道车辆；构架；强度；模态

中图分类号：U273.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-00178-02

Strength and Modal Analysis of Rail Vehicle Frame Based on CAD/CAE Technology

ZHAO Bo

（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266109，China）

Abstract：This paper briefly summarizes the current situation of the use of CAD/CAE technology in the rail transit industry，and takes a certain type of steering frame as the research object，and explains the basic operation process and feasibility of the CAD/CAE technology. First，the 3D solid model of the frame is established through the CAD software Por/E，and the finite element model of the frame is established by the CAE software ANSYS Workbench. The static strength analysis and fatigue strength checking of the frame are completed，and the modal of the frame is analyzed. The analysis results show that the adoption of CAD/CAE technology is conducive to the improvement of design quality and design efficiency，and provides an analysis basis for subsequent optimization design.

Keywords：CAD；CAE；railway vehicle；frame；strength；modal

0 引 言

我國幅员辽阔、人口众多，大规模的人口流动需要安全、可靠的交通方式。高速铁路以安全、快捷、经济、环保和可靠的特点在我国获得了快速的发展。截至2017年底，我国的铁路营业里程达到12.4万公里，高铁总里程超过2.2万公里，建成了以“四纵四横”高速铁路为骨架的快速铁路网。

转向架是保障轨道车辆安全运行的关键部件之一，它对车辆的安全性、舒适性和运行可靠性起着极为重要的作用。构架是转向架的关键零部件之一，是承载和传力元件，也是转向架其它各零部件的安装基础。为实现车辆的高速化，动车组采用了轻量化的焊接构架。随着列车运营速度的不断提高，线路固有频率范围加宽，构架的轻量化设计使得构架的固有频率降低，构架的低阶弹性振型可能处于线路的激扰范围之内，从而使构架的某些部位产生较大的动态变形。因此，构架的强度是决定车辆安全运营的关键因素。

在制造型企业中，CAE的目的在于优化和改进产品设计，因此分析应该无缝融入设计过程中。依托相关的分析软件，准确、有效地记录建模过程，能够在设计阶段依据设计的理念、产品的型号来改变设计参数，修改模型的尺寸，并保持零件之间的关联性，这样就使设计的程序简单化，对数据的利用会更全面。

为此，本文选取某型动车组构架为研究对象，利用CAD/CAE技术，根据JIS标准，对构架的静强度及疲劳强度进行了评价，并对构架的模态进行了分析。

1 构架有限元模型的建立

转向架构架采用H型焊接结构，耐候钢板焊接而成，钢板的抗拉强度、屈服许用应力及疲劳许用应力如表1所示。

2 构架强度评价

构架的应力计算结果如图3和图4所示。构架的最大应力为130.81MPa，低于材料的疲劳许用应力，满足标准要求。

3 构架模态分析

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。采用模态分析，确定车体、构架等承载结构的固有频率和振型，评价车体、构架等结构的刚度协调性，尽量避免结构中的局部应力集中现象。同时模态分析也可以获得车体、构架等结构的刚度和质量分布程度，并为车体、构架等提供可靠的轻量化设计参数。

选用ANSYS Workbench对构架进行自由模态分析，模态提取阶数设置为16阶，然后进行求解分析，各阶模态下对应的构架的固有频率如表3所示。

构架的前6阶模态为刚体模态，对应的固有频率为零，没有振型变化。构架的最低固有频率为49.059Hz，构架自振频率较高，远离轮轨的激振频率，与车体的振动频率的耦合性不高，能够有效地避免与车体发生共振。构架的振型主要为两侧梁的扭转与弯曲，并具有一定的扭转弯曲刚度，有利于构架适应线路的不平顺。

4 结 论

（1）运用CAD/CAE技术，极大提高了产品设计效率，缩短了设计周期，减少了样机试制的成本；

（2）运用有限元仿真技术，在设计初期对构架的强度和模态有了基本的了解，为后续的优化设计提供了分析基础。

参考文献：

[1] 田合强，兰清群，邬平波.CAD/CAE技术在铁道车辆轮对设计中的应用 [J].机械设计与制造，2008（4）：64-66.

[2] 王文静，刘志明，李强，等.CRH2动车转向架构架疲劳强度分析 [J].北京交通大学学报，2009，33（1）：5-9.

作者简介：赵波（1990-），男，山东菏泽人，技术中心设计师。从事工作为动车组车下制动设备管线设计安装。