高速重载抗侧滚扭杆有限元分析方法研究

高速重载抗侧滚扭杆有限元分析方法研究

曾晶晶、卜继玲、黄友剑 中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲，412007 摘 要 针对某型抗侧滚扭杆花键联接的结构特征，在有限元分析软件Abaqus中分别采用了绑定约束法、接触联接法、子模型方法进行有限元分析，以供在不同的分析情况下作为参考。 关键词 抗侧滚扭杆，ABAQUS，接触法，子模型方法，有限元分析

The Research of Finite Element Analysis Method of Anti-Rolling Bar Zeng Jingjing, Bu Jiling Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd, HuNan Zhuzhou, 412007 Abstract: According to the structure feature, splined connection, of a type of anti-rolling bar, tie constraint method, contact connection method and sub-model method have been used in the finite element analysis software Abaqus during analyzing, which can be taken as reference in different analysis. Keyword: anti-rolling bar, tie constraint method, contact method, sub-model method, finite element analysis

铁路高速客车转向架中央悬挂装置基本

上都采用橡胶空气弹簧悬挂装置，极大地改善

车辆的垂向振动性能和横向振动性能，但同时

车体侧滚振动的角刚度随之变得相对柔软，车

体发生滚摆运动的危险性增加。为了确保车体

具有良好运行性能，一般在无摇动台转向架的

中央悬挂装置中设置抗侧滚扭杆（简称扭杆）

装置，主要由扭杆轴、扭转臂、支撑座以及连

杆等零件组成。

扭杆轴在整个装置中是一个主要受力件，

要承受较大的循环扭矩作用。本文针对某型扭

杆轴在疲劳试验中出现断裂的问题（图1），

初步分析认为是花键键齿接触部位与扭杆轴

花键退刀槽位置存在疲劳源导致。为了精确分

析此类花键联接的应力分布情况，提升结构的

可靠性，用有限元分析软件Abaqus对扭杆进

行仿真分析，查看此部位的应力分布和大小情

况，为进一步研究其疲劳破坏的基本模式和影

响因素，降低构件的应力集中、提高构件的寿

命提供了理论基础和技术途径。

图1. 扭杆轴断裂图 1 扭杆结构特征与载荷条件 1.1扭杆的结构特征

在本文所分析的扭杆装置中，扭杆轴与扭

转臂之间采用渐开线花键联接，具有退刀槽和

花键齿接触特征，属于非线性有限元分析，计

算的收敛性能差。为了较好的分析花键接触区

域的应力情况，需要的有限元网格模型规模相

当大，并对硬件的配置有一定的要求。为之，

本文研究了3不同的有限分析方法，以供在不

同的分析要求作为参考。

图2. 花键联接扭杆几何结构特征 1.2 加载边界条件 为了模拟扭杆的实际工作状况，约束支撑

座的所有自由度，支撑座与扭杆轴之间采用摩

擦接触或弹性接触，只允许扭杆轴的转动，在

垂向连杆上施加位移FZ（图3）。当左右垂向

连杆发生相互反向的垂向位移FZ

本文研究的抗侧滚扭杆系统运用工况下

连杆的垂向位移在1~5mm，极限工况位移为

10mm。为了便于对比分析，在本文的仿真计

算中取垂向位移单位载荷1mm。 时（即车体侧

滚时），水平放置的两个扭转臂对于扭杆轴分

别有一个相互反向的力和力矩的作用，使弹性

扭杆承受扭矩而产生扭转弹性变形，起着扭杆

弹簧的作用。扭杆弹簧的反扭矩，总是与车体

产生侧滚角角位移的方向相反，以约束车体的

侧滚振动。

图3. 扭杆加载边界条件 1.3 材料属性 扭杆轴的材料一般采用弹簧钢，本文研究

的扭杆采用专门研发的抗侧滚扭杆专用钢材，

具体是扭杆轴采用52CrMoV4，屈服强度为

1130MPa，扭转臂采用42CrMo，屈服强度为

650MPa。 2 三种有限元建模方法 2.1绑定约束法（Tie）

在扭杆的初始分析中，先了解应力的分布

情况，查看应力集中出现部位，为进一步的分

析和优化设计提出建议和参考，扭杆轴和扭转

臂之间可采用绑定约束法来进行分析计算。绑

定约束法（Tie）是通过捆绑定义完全的约束

行为，来传递位移和力。此时不考虑扭杆轴与

扭转臂之间相互接触部位的弹性效应，存在一定简化处理，但对于系统总体而言可行。

在本分析中，主面采用刚性较大的面，即

扭杆轴上的花键齿面，从面采用扭转臂上的花

键齿面。采用C3D4R四面体网格（图4），网

格数量为149884，计算时间25分钟。

图4. 花键齿对1/9网格模型

花键齿对间采用绑定约束，扭杆轴上的最

大主应力出现在花键齿末端与退刀槽相接处

（图5），与疲劳试验中扭杆轴断裂的位置一

致。由于扭杆轴上受到扭矩的作用，局部受力

位置出现应力集中状况。最大的主应力值为

86.97MPa，低于扭杆轴的屈服强度值，由于疲

劳破坏是一个往复加载，损伤积累的过程，此

部位断裂的概率比较大。

图5. 扭杆轴上最大主应力云图 2.2接触联接法（Contact）

为了较为真实的模拟扭杆的结构联接特

征，得到比较精确的应力分布情况及数值，扭

杆轴和扭转臂之间可采用接触联接法进行分

析，此时可以简单考虑花键健齿之间接触对的

相互作用，对于局部的应力分析更加精确。在

Abaqus软件中，可以很好地运用接触模拟花

键齿对面之间的作用关系，来传递位移和力。

首先定义接触面来模拟接触问题，采用扭杆轴上的花键齿面作为主面，扭转臂上的花键齿面

作为从面。由于扭杆在实际的使用当中，花键

齿对面与面之间存在相对滑移，定义小滑移

（Small Sliding）。接触属性包括接触面之间的

法向作用和切向作用，法向作用定义为“硬接

触”（Hard Contact），切向作用中摩擦系数设

为0.2。

采用以C3D8R六面体为主的网格来计算

（图6），花键部位的网格大小划分较细，网

格数量为207806 ，计算时间60分钟。由此

可见，花键齿对间采用接触联接法，在提高计

算精度的同时，计算费用也随之提高。

图6. 花键齿对1/9网格模型 花键齿对间采用接触联接，扭杆轴上的最大主应力出现在花键齿末端与退刀槽相接处（图7），应力集中出现的区域收缩至退刀槽中，这符合实际的构件状况，退刀槽处的几何结构形状发生变化。最大的主应力值为63.44MPa 。

图7. 扭杆轴上最大主应力云图 2.3子模型法

针对扭杆几何特征，为了更精确的分析花

键接触区域的应力情况，需要的有限元网格模

型规模较大，为了减少计算量，保证计算的收敛性等优点，在绑定约束法的基础上，采用了

子模型的算法。

扭杆子模型是在扭杆全局模型的基础上，

对花键局部区域进行网格细化，作进一步分

析。扭杆子模型是从全局模型上切分下来的一

部分，只保留与外部有联接关系的自由度，从

而减小刚度矩阵和质量矩阵的规模和计算量。

扭杆子模型的驱动变量（Driven Variable）是

位移，全局模型在子模型边界上的位移结果被

作为边界条件来引入子模型。扭杆子模型分析

的基本步骤如下：

（1）完成对扭杆全局模型的分析，并保

存扭杆子模型边界附近的分析结果；

（2）创建扭杆子模型，定义扭杆子模型

边界；

（3）设置各个分析步中的驱动变量；

（4）设置扭杆子模型的边界条件、载荷、

接触和约束。

采用C3D8R六面体网格（图8），网格数

量231265 ，计算时间30分钟。由此可见，

在接触联接法的基础上，采用子模型方法，可

以进一步细化花键齿对局部的网格，且计算费

用不高。

图8. 子模型花键齿对1/9网格模型

采用子模型方法，扭杆轴上的最大主应力

出现在花键齿末端的退刀槽中（图9），与 2.2

接触联接法中出现的位置以及形状一致，相互

验证这2种分析方法的可行性。最大的主应力

值为58.88MPa 。

图9. 子模型扭杆轴上最大主应力云图 3 不同分析方法的对比

初步分析中采用绑定约束法，划分网格简

单，计算用时少，对硬件的配置要求不高，绑

定约束法有助于消除刚体位移，大大减少计算

接触状态所需要的迭代，并简化建模和分析的

过程，不足点是计算出来的应力值精确度相对

不高。

扭杆花键齿对之间采用接触联接法，符合

实际的工作状况，应力数值及分布形状比较精

确。由于具有多对花键齿对接触特征，属于非

线性有限元分析，计算的收敛性能差，用时长，

对硬件配置要求较高。

在绑定约束法的基础上，进一步采用子模

型的方法，可以细化花键齿对局部的网格尺

寸，得到的应力结果更接近于实际状况，且计

算用时不长。 4 总结

在针对扭杆的分析中，为了计算整体刚度

和强度，查看应力的分布状况，可以选用绑定

约束法进行初步分析，分析得出的应力值偏大，计算的安全余量较大，并且所需的时间较

短。在硬件配置和时间许可的条件下，扭杆花

键齿对之间可采用接触联接，得出比较精确的

应力值和分布形状。为了使扭杆有限元分析求

解值更接近于真实的应力值，可在绑定约束法

的基础上，进一步采用子模型的方法。

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