搜索機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度的有限元分析
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
針對一個轉(zhuǎn)向架構(gòu)架實例,利用有限元分析軟件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN,建立了有限元網(wǎng)格模型。通過各種工況下栽荷的施加,對此構(gòu)架強度進行了有限元模擬分析的詳細介紹,根據(jù)分析結(jié)果得到此構(gòu)架強度符合要求的結(jié)論。以此介紹應用有限元分析軟件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度可靠性評價的方法。
作者: 郁煒 江海兵 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架 有限元 強度 可靠性
構(gòu)架是機車轉(zhuǎn)向架最關(guān)鍵的零部件之一,也是轉(zhuǎn)向架其它各零部件的安裝基礎,在機車的牽引運行中起傳遞牽引力、制動力、橫向力及垂向力的作用,因此,機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性對機車的性能和安全性有重大影響。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度的可靠性評價大多通過物理樣機的某些試驗,再通過金屬探傷、磁電探傷等方法來檢驗…,成本高,開發(fā)周期長。所以,使用有限元的理論對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架建模,并利用有限元分析軟件對其進行應力分析和強度計算來確保機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性有重大意義,本文在此進行了嘗試。
目前,國外幾家著名的公司研制的有限元分析軟件如MSC、ANSYS、I-DEARS等在國內(nèi)許多設計中得到了較為廣泛的應用。MsC公司提供的有限元軟件在有限元建模、結(jié)構(gòu)分析(靜態(tài)、瞬態(tài)動力學)、熱、電磁場、流體問題等及其耦合問題、接觸、強非線性、碰撞等方面都有獨到的處理方法,本文詳細介紹了其中的前后處理軟件MSC/PATRAN和結(jié)構(gòu)分析軟件MSC/NASTRAN在機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度計算與分析中的應用。
1 有限元強度計算模型的建立
機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架一般為箱型梁結(jié)構(gòu),有限元計算模型可以采用薄板單元按照設計圖紙上的實際尺寸建模,并根據(jù)構(gòu)架各部分是否承受載荷確定網(wǎng)格的疏密程度,在MSC/PATRAN軟件中生成有限元計算網(wǎng)格模型。文中選擇一例已通過物理樣機測試實驗、強度合格的機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行分析。它是由兩根側(cè)梁、一根橫梁和兩根端梁組焊成的"日"字形結(jié)構(gòu),整個構(gòu)架計算模型共有20 225個薄板單元和27 848個節(jié)點,如圖1。
2有限元強度計算的載荷和邊界條件
在機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元計算分析過程中,施加約束和載荷的原則是在構(gòu)架主動施力處施加載荷,被動受力處施加約束:
機車運行時,作用在構(gòu)架上的載荷可以歸納為靜載和動載兩大類。靜載荷在運行過程中具有確定不變的數(shù)值和方向,包括機車上部重量、轉(zhuǎn)向架自重以及安裝在轉(zhuǎn)向架上各種裝置的重量、電傳動內(nèi)燃機車與電力機車的牽引電機的重量、液力傳動內(nèi)燃機車的中問齒輪箱重量等;動載荷是在運行過程中方向和大小都隨時間變化的載荷,包括由于車體振動產(chǎn)生的附加垂向動載荷、機車牽引運行時作用在構(gòu)架上的縱向力、機車通過曲線時作用在構(gòu)架上的側(cè)向力、牽引電機作用于構(gòu)架的振動載荷以及工作時的反扭矩或電阻制動反扭矩、齒輪箱工作時的反扭矩、制動力、由于線路及其它原因使構(gòu)架產(chǎn)生的扭曲力等。機車轉(zhuǎn)向架載荷的大小和方向根據(jù)具體的設計要求和實際情況確定。本文研究對象的計算載荷值如表1所示。
3計算工況的選取
根據(jù)TB/T 2368一1993《內(nèi)燃、電力機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度試驗方法》,機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的計算工況由不同類別的載荷工況組合而成?？傮w上分為兩大類:組合載荷工況和獨立載荷工況。組合載荷工況主要對各種極限載荷情況進行模擬,考察構(gòu)架是否有足夠的靜強度滿足這些極限情況;獨立載荷工況則用于考核構(gòu)架的疲勞強度。
3.1 組合載荷工況
1)工況一,垂直靜載荷工況。包括車體垂直靜載荷,齒輪箱垂直靜載荷。
2)工況二,起動工況。包括車體、齒輪箱垂直靜載荷,縱向起動牽引力,起動牽引反扭矩。
3)工況三,緊急制動工況。包括車體、齒輪箱垂直靜載荷,縱向緊急制動力,安裝座緊急制動力。
4)工況四,曲線通過工況。包括車體、齒輪箱垂直靜、動載荷,縱向持續(xù)牽引力。持續(xù)牽引反扭矩,橫向載荷。
3.2獨立裁荷工況
1)工況一,車體垂直靜載荷。
2)工況二,齒輪箱垂直靜載荷。
3)工況三。橫向載荷。
4)工況四,車體垂直動載荷。
5)工況五,齒輪箱垂直動載荷。
6)工況六,縱向持續(xù)牽引力。
7)工況七,持續(xù)牽引反扭矩。
8)工況八,縱向常用制動力。
9)工況九,安裝座常用制動力。
計算獨立載荷工況的目的是校核構(gòu)架疲勞強度,具體的校核方法:以工況三的一半及工況一、二之和計算平均應力,再分別以工況三的一半及工況四、五、六、七的均方根計算牽引工況的應力幅、以工況三的一半及工況四、五、八、九的均方根計算制動工況的應力幅。
在得到上述平均應力和應力幅后,依據(jù)95J01-L《高速試驗列車動力車強度及動力學性能規(guī)范》的推薦,在我國當前無自己的疲勞極限圖的情況下,參考采用0RE B12報告中的Goodman疲勞極限圖,對構(gòu)架強度進行校核。
4計算結(jié)果分析
4.1組合載荷工況的計算結(jié)果分析
算例中4種組合載荷工況的最大von Mises應力及其出現(xiàn)的位置見表2。其中曲線通過工況情況最惡劣,最大von Mises應力為109.0MPa,其應力分布見圖2。
表3列出了4種工況下變形的最大值及其出現(xiàn)的區(qū)域,其中緊急制動工況下的變形量最大,為O.526 mm。圖3給出了該工況的變形云圖。
組合載荷工況是對各種極限載荷情況進行模擬?？疾鞓?gòu)架是否有足夠的靜強度滿足要求。文中構(gòu)架的材料為16 MnR。16 MnR的屈服極限σa=225 MPa。強度極限σb=420 MPa,安全系數(shù)取1.65,許用應力[σ]=136.364MPa。上述強度計算結(jié)果中最惡劣工況的最大von Mises應力小于許用應力;最大變形量也滿足設計要求,構(gòu)架結(jié)構(gòu)滿足靜強度要求。
4.2構(gòu)架疲勞強度的校核
表4列出了平均應力出現(xiàn)峰值的區(qū)域、大小及兩種應力幅在該區(qū)域的應力取值范圍,表5、表6分別列出了牽引工況和制動工況兩種應力幅出現(xiàn)峰值的區(qū)域、大小及平均應力在這些區(qū)域的應力值。另外表4、表5、表6中還給出了根據(jù)Goodman疲勞極限圖得到的各平均應力所對應的應力幅極限值。
由表4、表5、表6可知,文中的機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在各應力峰值出現(xiàn)處,牽引工況應力幅和制動工況應力幅的應力幅取值都低于這些區(qū)域的平均應力值所對應的應力幅極限,所以由模擬結(jié)果也可得到構(gòu)架滿足疲勞強度要求的結(jié)果。
5結(jié)論
本文結(jié)合實例,詳細介紹了用有限元分析軟件MSC/PATRAN和MSG/NASTRAN對機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度計算和分析的方法。對于文中構(gòu)架,根據(jù)計算結(jié)果可得到滿足靜強度和疲勞強度要求的結(jié)論。由此進一步探討用有限元的理論和相應軟件對機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度可靠性予以評價的方法,使計算機模擬的方法在提高轉(zhuǎn)向架構(gòu)架應用安全可靠性方面進一步普及。大大降低生產(chǎn)成本。
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