基于ANSYS WORKBENCH有限元软件的轮对疲劳寿命评估＊

华 亮 田 威 曾 超 廖文和

（1.南京航空航天大学理学院，210016，南京；2.南京铁道职业技术学院，210031，南京；3.南京航空航天大学机电学院，210016，南京∥第一作者，讲师）

现行的铁路货车检修制度规定，零部件一旦达到其设计寿命，不管其有没有损伤，都直接报废。这无形中造成了资源的巨大浪费。轮对是机车车辆的主要部件，每年直接或间接报废的轮对数量相当可观。对于达到设计寿命的轮对，如果无损伤或只有轻微损伤，且尚有足够的剩余寿命的话，则完全可以将其用于再制造，以节省大量资源。因此，评估轮对的疲劳寿命就显得至关重要。

有限元软件ANSYS WORKBENCH是一款在航空、铁路、机械等领域得到广泛应用的CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）分析软件，具有强大的仿真分析能力。本文采用ANSYS WORKBENCH13.0软件，以常用的铁路货车轮对为研究对象，在对其进行静强度分析的基础上，利用ANSYS WORKBENCH软件中的FATIGUE模块TOOL工具对其疲劳寿命进行仿真计算，以确定达到设计寿命后而无损伤的轮对能否用于再制造。

1 轮对的有限元模型

本文选用由CL60钢整体车轮、LZ50钢RD2型实心车轴组成的轮对为研究对象，轮轴配合最大过盈量取0.3mm，车轮和车轴的弹性模量取209 GPa，泊松比取0.3，材料S－N（应力－寿命）曲线取自ASME BPV Code（美国机械工程师协会锅炉及压力容器规范）。

轮对三维实体模型是在三维制图软件PRO／E中绘制的，绘制完成后可由有限元软件ANSYS WORKBENCH直接引用；在该有限元软件中对其进行网格划分，即可生成轮对的有限元模型。模型中离散单元数为104 541个，节点数为372 684个。离散前和离散后的轮对模型如图1所示。

ANSYS WORKBENCH软件的疲劳分析基于静力分析，因此，首先对轮对进行静强度仿真计算。

图1 轮对有限元模型

2 轮对的静强度计算

2.1 计算工况与载荷

轮对在实际运行过程中受到的载荷十分复杂，本文参照欧洲铁路联盟标准［1］，将轮对的受载工况简化为如下3种进行计算。

1）工况1：垂直静载荷工况，即轮对承受垂直静载荷加过盈量；

2）工况2：直线运行工况，即轮对承受垂直动载荷加过盈量；

3）工况3：曲线运行工况，即轮对承受垂直动载荷加横向动载荷加过盈量。

其中，垂直静载荷为车轴轴重的一半，垂直动载荷和横向动载荷为垂直静载荷分别乘以垂向动荷系数和横向动荷系数。参照欧洲铁路联盟标准，垂向动荷系数和横向动荷系数分别取0.25及0.70。仿真计算时，在轴颈端施加位移约束。

2.2 静强度评定标准

按照TB／T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的规定，承受复杂应力的构件，其最大当量应力σe应小于其许用应力。当量应力的计算公式为：

式中：σ1、σ2、σ3为主应力，单位为 MPa。

2.3 仿真结果

由表1的结果可知：车轴在工况3所承受的最大当量应力为164.86MPa，车轮在工况2所承受的最大当量应力为366.5MPa，但均小于其许用应力［2］。因此，轮对满足静强度要求。

表1 轮轴仿真最大当量应力与许用应力对比 MPa

由图2、图3的仿真结果显示，车轮最大当量应力在轮毂部位，车轴最大当量应力在轮座部位。这和轮对的实际受力情况是吻合的。

图2 工况2的车轮最大当量应力云图

图3 工况3的车轴最大当量应力云图

3 轮对疲劳寿命仿真

轮对在实际运行过程中的载荷时间历程可由动力学分析软件仿真得到，也可由线路实测数据得到。本文计算用到的轮对载荷时间历程采用青岛四方车辆研究所有限公司由实测数据经雨流计数法和数据拟合后得到的八级载荷谱［3］。其数据如表2所示。利用ANSYS WORKBENCH软件的FATIGUE模块计算轮对在随机载荷作用下的疲劳寿命。寿命结果报告中显示的是零件失效时所能承受的载荷“块”的数量（来表示轮对的疲劳寿命），而不是载荷循环次数。

表2 RD2轴八级载荷谱

由图4、图5的仿真结果显示，车轴的疲劳寿命为1 685.4块，车轮的疲劳寿命为1 330.7块。每承受1块载荷，车辆的运行距离约为2 637.6（3.14×0.84×1 000）km。如按车辆每年平均运行10万km计算［4］，则车轴的使用寿命约为44.45年，车轮的使用寿命约为35.1年。两者寿命均远大于其设计寿命25年［5］。

图4 车轴疲劳寿命云图

图5 车轮疲劳寿命云图

有研究者对服役的36 050根铁路车轴进行了实际使用时间的统计，统计结果如图6所示［6］。统计结果表明：在交变载荷及复杂服役条件下，车轴在轮座部位易产生裂纹，导致车轴的实际使用寿命多数集中在6～25年，但无裂纹车轴的寿命一般均超过25年，最大使用寿命超过31年。这和轮对仿真寿命相比是基本吻合的。

图6 实测车轴寿命分布

综上所述，当轮对达到设计寿命后，经无损检测如没有产生损伤，则可以直接用于再制造；如产生轻微损伤，则可以采用先进的再制造技术处理后再用于再制造，以节省大量资源。

4 结语

采用ANSYS WORKBENCH软件对轮对的疲劳静强度进行了校核。结果显示，车轮和车轴承受的当量最大应力均小于其许用应力，满足轮对静强度的要求。

采用ANSYS WORKBENCH软件对轮对在随机载荷条件下的疲劳寿命进行了计算。结果表明，轮对疲劳寿命远大于其设计寿命。因此，对使用年限达到设计寿命的轮对，如没产生损伤，则可用于再制造。

［1］PREN 13979铁路应用轮对与转向架车轮技术验收程序［S］.

［2］田合强，王建斌，邬平波.基于有限元的轮对强度计算及评定［J］.机械，2007（7）：11.

［3］侯卫星.车轴疲劳裂纹扩展的计算与分析［J］.铁道学报，1993，15 （2）：8.

［4］刘德刚，侯卫星，王凤洲，等.基于有限元技术的构件疲劳寿命计算［J］.铁道学报，2004，26（2）：47.

［5］TG／CL 110—2011铁路货车厂修规程［S］.

［6］卢虓宇.铁路货车轮对冷加工质量保障关键技术研究［D］.南京：南京航空航天大学，2012.