2.3 底架结构有限元模型的建立

2.3.1 有限元建模的基本原则

有限元法分析结果的准确性很大程度上取决于模型的建立是否合理。在实际工程问题中，由于高速列车端部底架结构十分复杂，遇到的载荷工况也不尽相同，理论计算载荷和边界约束条件都需要通过计算者人为施加，故在建模过程中对模型进行适当的简化是十分必要的。根据实际工程结构进行建模能够得到更为准确的模拟计算结果，但在现有的技术条件下，实现起来难度较大。随着模型复杂程度的提高，有限元的计算量会以指数形式增加，不符合高效性原则。过于简化的模型会使得计算量大幅度降低，但同时会降低模拟计算结果的准确性，与实际模型计算结果相比，会有一定的偏差，无法完整体现结构部件在实际工程中的服役情况。因此，对模型进行简化时，不仅要从计算量的角度进行考虑，同时还需要尽可能体现出结构的力学特性，确保其有限元分析结果的有效性^[130]。

本章针对高速列车端部底架结构的有限元建模原则为^[131]：

1）在选择总体坐标系时，应尽量与端部底架结构的坐标系一致。

2）考虑到载荷的不对称性，模型采用整体结构，在端部底架中心销处采用圆形立柱和锥形圆盘的结构形式代替实际结构，便于施加载荷和最终的有限元计算。

3）适当忽略对端部底架结构应力分布影响较小的局部细节（如部分倒角、圆角、工艺孔及螺纹等），并对单元与单元搭接处进行节点合并处理。适当地简化模型，可大幅提高计算效率。

4）对应力集中较大的区域进行重点考察，对结构表面没有产生应力集中或产生较小应力集中的区域，进行圆整平顺处理。

2.3.2 三维结构几何模型的建立

应用Solidworks 2013软件，并根据高速列车端部底架结构二维工程结构图样，建立三维模型。所建立的高速列车端部底架结构三维模型如图2-3所示。

图2-3 高速列车端部底架结构三维模型

a）整体结构三维模型 b）枕梁结构三维模型 c）牵引梁结构三维模型 d）抗蛇行减振器座结构三维模型

2.3.3 有限元模型的建立

针对端部底架结构三维模型进行有限元网格划分，采用Solid186实体单元类型进行离散化处理^[132]。整体网格尺寸为10mm，弹性模量为69GPa，泊松比为0.3。所建立的端部底架结构有限元模型如图2-4所示。其中，图2-4a所示为整体结构有限元模型，共离散为154万个单元，203万个节点；图2-4b所示为枕梁结构有限元模型，共离散为91万个单元，121万个节点；图2-4c所示为牵引梁结构有限元模型，共离散为21万个单元，27万个节点；图2-4d所示为抗蛇行减振器座结构有限元模型，共离散为42万个单元，55万个节点。

图2-4 高速列车端部底架结构有限元模型

a）整体结构有限元模型 b）枕梁结构有限元模型 c）牵引梁结构有限元模型 d）抗蛇行减振器座结构有限元模型