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高速、重载是铁路现代化的重要标志之一，同时随着城市化的不断发展，地铁、轻轨等各种交通工具也相继繁荣起来。列车速度的提高、轴重的增大，不仅加大了轮轨间的动作用力，同时，制动时踏面所承受的热负荷也随之增大，作为机车车辆重要承载部件的车轮所承受的负荷越来越恶劣，因此在现代铁道车辆设计中，车轮的安全性、可靠性设计就显得极为重要。随着现代计算机技术和有限元技术的发展，用有限元方法分析铁道机车车辆零部件的强度变得日益广泛。
ANSYS软件是工业界运用最为广泛的大型有限元软件，具有热、机械、电磁场等多种分析功能。我们利用其强大的计算功能进行了大量有实际意义的设计工作，尤其在铁路车辆轮轴方面，结合近年来铁路的发展，开发了一系列新型产品，满足了不同的运用要求。本文以某21t轴重动车车轮为例说明应用ANSYS软件有限元分析车辆车轮强度的方法。
目前关于车轮强度的分析和评定，只有美国AAR标准《机车和货车车轮设计分析评定办法》(以下简称：美国规范)，标准规定了计算载荷、计算工况，采用了比较的评定办法，但这一规范比较粗糙;另外在欧洲EN标准中规定了车轮的设计和分析方法，但只限于外部机械载荷，有些片面，除此而外，并无完整的关于车轮的分析评定方法，我们根据多年来从事轮轴设计的经验，结合车轮实际受力状态，较全面的分析了车轮的各种受力情况。美国规范采用对比法，对新轮和磨耗到限车轮分别计算，同时和在用的比较好的车轮进行应力比较。本文考虑到磨耗到限车轮比新制车轮受力状态恶劣，因此选用磨耗到限车轮作为计算对象。
车轮在运行过程中承受多种复杂的载荷。轨道对车轮径向和横向作用力、制动过程中闸瓦对车轮的摩擦热负荷、轮对压装过盈配合、高速时旋转引起的离心力等均对车轮的应力分布有着很大的影响。由于轮轴配合属于过盈配合，存在于各种工况，而且，不同的压装过盈量对车轮的应力影响较大，同时对轮轴的压装配合紧固度也有很大的影响，因此计算分别考虑了在最小和最大过盈量下车轮各种工况下的强度。(1)计算模型考虑比较恶劣的工况，计算不计制动时闸瓦所吸收的热量，假设热量全部被车轮吸收，且在整个车轮踏面圆周上均匀的输人，亦即热负荷是轴对称的，该问题属于轴对称问题，但为了在应力计算中采用同一模型，以便利用温度场计算的结果，因此根据车轮结构及载荷的对称性，建立1/2车轮模型进行计算，计算模型如图。
温度场计算温度场计算的载荷是由于对车轮施行恒速制动或单元类型为SOLID。热分析体单元，材料特性参数如表，温度场计算结果如图。强度计算强度计算单元类型是SDLID45结构分析体单元。计算热应力所需的温度场分布可直接从前面的热计算结果中读取。模型在对称面节点上施加对称约束，轴端施加固定位移约束。材料弹性模量为0.21Pa，泊松比为0.3，根据实际情况，将对车轮从静强度、疲劳强度及轮轴紧固度三个方面进行评定。W静强度分析及评定为使车轮满足运用强度要求，车轮各关键位置点的最大Vonmises应力应小于车轮材料的屈服极限。Vonmises应力的计算公式为计算结果是车轮在各工况下关键部位的应力均低于车轮的屈服极限，认为车轮的静强度能够满足要求。图中只给出了直线制动和曲线制动工况下等效应力分布情况。
疲劳强度评定由于车轮的转动，其上各点的应力呈三向交变的应力状态，本文采用等效应力幅及等效平均应力对车轮上各点进行疲劳强度校核。疲劳强度满足要求的条件是车轮上各点(奇异点除外)的疲劳安全系数应大于等于1，根据上述公式及参数计算，计算表明各上况下各点的疲劳安全系数均大于1，因此车轮在计算工况下各点的疲劳强度满足应用要求。轮轴紧固度评定车轮运行过程中，为保证车轮和车轴不发生相对转动或脱离，计算表明在外载荷作用下，配合面上接触压应力呈不均匀分布，且分布规律和大小随外载荷及过盈量的不同而变化；制动热负荷作用下，接触压应力明显降低，影响轮轴配合品质；上述各工况下，计算的接触压应力均高于要求的最低值，说明在选定的过盈量下，轮轴具有足够的紧固度。
(1)根据以上的分析认为，所设计车轮的静强度和疲劳强度满足运用要求，轮轴紧固度足够。(2)用有限元方法对车轮强度进行全面分析，对加快轮轴产品设计过程，提高产品设计的可靠性，有着重要的意义。(3)车轮设计和分析的方法应能够更加合理的反映车轮的实际受力状况。本文以多年来实际经验为依据，提出的分析方法，不失为一种有效的方法。
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