Abaqus在鐵路機車行業CAE分析中的應用

2017-01-20 by:CAE仿真在線來源:互聯網

鐵路是我國的主要運輸方式,在國民經濟中起著非常重要的作用。體力的客貨運輸量占我國總運量的50%,是國民經濟的發展先導。近年來,國民經濟迅猛發展,由于以前忽視了對鐵路的投入,鐵路運輸已經成為制約國民經濟發展的瓶頸?，F在,政府正在加大基礎設施的建設,以改變鐵路發展的落后狀態。

鐵路車輛分析中的應用

鐵路車輛是鐵路運輸中直接載運旅客和貨物的工具,是鐵路中的一個主要環節。作為輪軌車輛的一種,鐵路車輛具有:自行導向、低運行阻力、成列運行等特點。由于機車沿軌道運行,沒有獨立操縱運行方向的機構,車與車之間需設置連接緩沖裝置進行動力傳遞,因此連接緩沖裝置的設計非常重要。同時,隨著經濟發展,運輸對車輛的要求越來越高,車輛上的各種裝備貨物越來越多,因此,車輛的設計和制造應采用新的材料、工藝和結構來降低自身重量,負載更多的貨物,而這種新的設計有必須經過相關的強度剛度校核。

鐵路機車從出現至現在,由于不同目的、用途和運用條件,車輛的結構和類型形形色色,但總的來說,可以概括為一下五個基本部分:

車體:是容納運輸對象的地方,是安裝和連接其他四個組成部分的基礎。

走行部:其介于車體和軌道之間,引導車輛沿著鋼軌行駛和承受來自車體以及線路的各種載荷并緩和動作用力,是保證車輛運行品質的關鍵部件,也稱為轉向架。

制動裝置:是保證列車準確停車及安全運行所必不可少的裝置。由于整個列車的慣性很大,不僅要在機車上設置制動裝置,還必須在每輛車上設置制動裝置。

連接緩沖裝置:車輛要成列運行,一定要接觸連接裝置,同時還應在每列車之間設置緩沖裝置以緩和列車的沖動。

車輛內部設備:是可以為運輸對象服務而設置于車體內的固定附屬裝置。如客車上的臥鋪,行李架等等。

行走部分析中的應用

行走部是機車運行中的主要部件,在行走部的設計中必須考慮以下內容:

1.強度和剛度:行走部必須保證足夠的剛度和強度,特別是轉向架構架對剛度的要求比較高,因為它是轉向架的基礎,若剛度部足,回影響各部分之間的相對位置。

2.運行穩定性:機車在直道上運行時,應具有良好的橫向穩定性,即機車達到最大速度時,決不允許發生蛇行失穩。

3.運行平穩性:機車的運行平穩性表示人所感覺到的機車運行的品質,在平穩性的考核中包括振動加速度,頻率,方向和持續時間。

4.曲線通過性:機車的曲線通過性差可以引起機車的脫軌,造成輪緣與曲線軌側磨增加。

5.對線路的動力作用:輪軌之間的正載荷一般不會造成危害,重要的是機車運行時產生的動載荷回微機安全。輪對作用于線路的動作用力隨著車速的增高而增加。

6.結構簡單、安全可靠、維修量小。

轉向架構架結構動力響應仿真與疲勞壽命預測

近年來的鐵路提速實踐中暴露出的問題表明,提速客車轉向架的主要安全隱患就是疲勞腐蝕引起的結構失效,而結構早期疲勞的發生主要原因是由于軌道車輛運行速度的提高引起結構的動應力劇增。結構加速疲勞失效故障既對旅客出行造成很大的安全隱患,也會使鐵路的經濟乃至聲譽蒙受損失。因而如何使提速機車車輛承載結構在其設計壽命期的運行時間內保持較高的安全可靠性,以確保鐵路客運的安全,已成為我國鐵路可持續發展中一個引人關注的研究課題。

結構動力響應研究構件在各種隨時間變化的動載荷(包括運動物體受到的動態或瞬態力與加速度,結構承受的地震和沖擊波引起的加速度激勵等)作用下的應力位移等響應特性。ABAQUS提供從穩態響應到隨機振動的強大的的線性動力學分析功能。ABAQUS提供LANCZOS特征值求解器,對大規模模型進行快速,準確的特征頻率提取,極大的提高了分析求解速度。同時,在新的V6.6版本中,ABAQUS推出了新的AMS特征值求解器,已具有127,000個單位800,000自由度的白車身模型為例,提取前1000階頻率,所花時間為原來求解器的六分之一。

在分析中通過線路實測用加速度測試儀測得關注部位的加速度歷程,然后選取典型譜,以激勵的形式施加到模型上,由響應計算得出結構模型的動應力,動應變等,然后就能夠進一步應用FE-SAFE疲勞分析模塊分析結構疲勞特性。

轉向架強度分析

機車轉向架的強度校核是機車設計中主要的考慮因素,也是機車CAD模型完成后進行的頭一個分析。轉向架的受力狀況比較復雜,側向力,垂向力,縱向力等,如果對單一工況進行分析則計算量很大,效率低下,ABAQUS提供多工況分析功能,可以在分析中,將所有的工作狀況全部求解。這樣,既可以節省分析時間、縮短研發時間,又可以提高工作效率。

以汽車底盤和車架的穩態響應分析為例,采用多工況分析,將使分析時間提高至單一工況分析的十分之一。

彈簧裝置分析

行走部彈簧有兩個作用,一是給機車車軸以一定的重量分配,并使所分配的重量在車輛行經不平線路時不致發生顯著變化;二是當機車行經線路部平順處或因車輪不圓而發生沖擊時,其可對機車所受的沖擊具有一定的減緩作用,因此,彈簧的作用非常重要,同時也是受力比較復雜的行走部裝置。

V型彈簧三向剛度分析

V型彈簧是機車車輛轉向架尤其是高速客車和地鐵轉向架普遍采用的關鍵部件。其三向剛度特性對車輛的運行品質產生十分重要的影響。V型彈簧是一種“三明治”式的金屬橡膠結構,具有良好的垂向動態性能,同時在軸箱懸掛中兼起輪對導向作用,以保證機車(地鐵)在通過曲線時,輪對能自行進行徑向調節,在直線上又可抑制輪對的蛇行運動,防止高速時不穩定運行。因此,為減小機車的動力響應,改善結構平穩性指標,保持曲線運行的穩定性,需要在轉向架上裝置v型彈簧,以實現三個方向的剛度匹配。

V型彈簧由橡膠超彈性材料構成,具有高度的材料非線性,在工作載荷作用下變形很大,應用小變形線性理論分析無法求解。目前應用的經驗公式誤差較大,已失去了實用意義。為確定產品結構,進行設計時,通常是先出實驗樣機,然后進行樣品三向剛度實驗,根據樣品實驗的結果,對產品結構進行修改,反復循環設計修改一樣品實驗,直到設計能滿足產品所需技術要求。

ABAQUS軟件具有強大的非線性分析功能,是橡膠材料有限元分析的標準軟件,提供了豐富的橡膠材料本構,同時還可以考慮橡膠材料的粘彈性和應力軟化等材料行為。同時,利用借助ABAQUS優化設計功能,可以對影響三向剛度因素進行參數化處理。

空氣彈非線性有限元分析簧的

對空氣彈簧的有限元分析比較復雜,因為涉及了有限元力學分析中的各類非線性問題,具有強烈非線性行為的橡膠材料,彈簧的大變形等,并要對空氣彈簧中的氣體進行適當的模擬,這樣才可能得到有價值的結果。Abaqus提供相關的氣體單元可以使膠囊中的氣體進行模擬分析。

車體分析

車體是容納運輸對象的裝置,在整個車輛的自重中,車體所占的比例最大。在當前車輛輕量化、高速化的趨勢中,也是所受影響最大的機車部分。采用新材料,新工藝對車體實施輕量化后必須對其強度剛度進行評估,以使其在減重的同時還可以保持同樣或更高的強度。

同時,車輛減重后不可避免地會帶來結構振動,噪聲增加等問題,此時就要關注車體動態特性,要對車體進行模態分析。

利用ABAQUS的非線性求解器,可以對工作中存在大變形以及接觸問題的強度剛度問題進行快速準確的計算。同時,對于象車體這樣的復雜的大規模模型,ABAQUS還提供了子模型分析功能。在進行了總體分析以后,可以把自己敢興趣的區域進行網格的細化,將總體模型中得到的載荷以及邊界條件加到子模型中,進行進一步的分析。

ABAQUS中的Lanczos求解器可以快速準確的進行特征值的提取。圖為上海柴油機利用ABAQUS的模態分析功能對某直列六缸發動機進行有限元分析并于LMS試驗機得到的內容相比較,由分析結果可知,有限元數據與試驗結果有著很好的吻合。

鐵路軌道分析中的應用

鐵路軌道結構由鋼軌,彈性扣件,墊層,軌枕,道床和路基等材料組成,是一個十分復雜的系統。從受力角度看,軌道結構承受的是來自機車和車輛隨機的三向動荷載,且列車在運動過程中除輪軌間存在著巨大的接觸應力外,還伴隨著蠕滑現象。在反復荷載的作用下,鋼軌會產生疲勞損傷、折斷和裂紋;由于溫差的存在,無縫線路會發生失穩,引起脹軌跑道;由于線路的不平順,列車會發生蛇行運動等。從材料角度看,鋼軌在輪軌接觸處,由于存在巨大的接觸應力會發生屈服,在制動力和曲線側向切削力的作用下又會發生損傷;作為道床組成材料的石碴,是散體材料,連續介質分析方法難以得到正確的結果。這一切都說明,傳統的軌道結構分析方法,不能適應現代鐵路軌道結構的需要。七十年代以來,由于計算機的迅速發展,工程結構數值分析方法越來越廣泛的應用于工程實際中,使工程中的大量復雜問題的求解成為可能。

輪軌相互接觸應力的分析

沿鋼軌滾動的車輪,除了引起鋼軌的彎曲應力外,還在輪軌接觸點處引起局部的接觸應力。當車輪的輪箍壓在鋼軌踏面的時候,二者之間的受壓面積很小,出現局部的應力集中,產生大大超過材料屈服點的接觸應力,引起頭部的壓潰,材料流動或形成高低不平的波浪形軌面,而材料較脆的時候,會產生頭部劈裂和其他種類的鋼軌損傷。

ABAQUS具有強大的接觸模擬功能,可以模擬變形體與變形體、剛體與變形體以及變形體自身的接觸。此外,ABAQUS還提供了從有限滑動到小滑動的各種類型的接觸模擬功能。針對工業中應用較多的過盈配合,大滑動,墊片接觸等現象,ABAQUS提供了豐富而強大的功能進行處理。此外,在接觸問題的收斂性和精確度方面,ABAQUS提供了強大的功能,新推出的SURFACE-TO-SURFACE的接觸功能,可以準確而快速的模擬各種接觸問題。

輪軌動力學分析

隨著國家經濟的發展,鐵路客貨運輸的任務日益繁重。新型機車車輛的設計,制造和線路維護都需要預知輪軌之間的動力學性能特性,將車輛與軌道的模型一起綜合考慮分析。

當列車以一定速度通過軌道時,車輛和軌道都有在空間各個方面產生振動,其原因是多方面的,如:機車動力作用,速度的影響,軌道的不平順,車輛安裝的偏心等,因此情況較為復雜。而所以的這些振動都可能回對列車的平穩性產生影響。

利用ABAQUS的線性動力學分析功能,可以對軌道結構的空間自有振動,以及在各種支撐條件下的固有頻率和固有振動特性,結合車輛蛇行運動穩定性,對軌道結構的設計進行全面的評估。