搜索機車轉向架構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
針對一個轉向架構架實例,利用有限元分析軟件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN,建立了有限元網格模型。通過各種工況下栽荷的施加,對此構架強度進行了有限元模擬分析的詳細介紹,根據分析結果得到此構架強度符合要求的結論。以此介紹應用有限元分析軟件MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN對轉向架構架強度可靠性評價的方法。
作者: 郁煒 江海兵 來源: 萬方數據
關鍵字: 轉向架構架 有限元 強度 可靠性
構架是機車轉向架最關鍵的零部件之一,也是轉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,機車轉向架構架的可靠性對機車的性能和安全性有重大影響。傳統的轉向架構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,開發周期長。所以,使用有限元的理論對轉向架構架建模,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向架構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、結構分析(靜態、瞬態動力學)、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和結構分析軟件MSC/NASTRAN在機車轉向架構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
機車轉向架構架一般為箱型梁結構,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,并根據構架各部分是否承受載荷確定網格的疏密程度,在MSC/PATRAN軟件中生成有限元計算網格模型。文中選擇一例已通過物理樣機測試實驗、強度合格的機車轉向架構架進行分析。它是由兩根側梁、一根橫梁和兩根端梁組焊成的"日"字形結構,整個構架計算模型共有20 225個薄板單元和27 848個節點,如圖1。
2有限元強度計算的載荷和邊界條件
在機車轉向架構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值和方向,包括機車上部重量、轉向架自重以及安裝在轉向架上各種裝置的重量、電傳動內燃機車與電力機車的牽引電機的重量、液力傳動內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生的附加垂向動載荷、機車牽引運行時作用在構架上的縱向力、機車通過曲線時作用在構架上的側向力、牽引電機作用于構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架產生的扭曲力等。機車轉向架載荷的大小和方向根據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TB/T 2368一1993《內燃、電力機車轉向架構架靜強度試驗方法》,機車轉向架構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,縱向持續牽引力。持續牽引反扭矩,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,縱向持續牽引力。
7)工況七,持續牽引反扭矩。
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95J01-L《高速試驗列車動力車強度及動力學性能規范》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,對構架強度進行校核。
4計算結果分析
4.1組合載荷工況的計算結果分析
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的區域,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?？疾鞓嫾苁欠裼凶銐虻撵o強度滿足要求。文中構架的材料為16 MnR。16 MnR的屈服極限σa=225 MPa。強度極限σb=420 MPa,安全系數取1.65,許用應力[σ]=136.364MPa。上述強度計算結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,構架結構滿足靜強度要求。
4.2構架疲勞強度的校核
表4列出了平均應力出現峰值的區域、大小及兩種應力幅在該區域的應力取值范圍,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峰值的區域、大小及平均應力在這些區域的應力值。另外表4、表5、表6中還給出了根據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,文中的機車轉向架構架在各應力峰值出現處,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域的平均應力值所對應的應力幅極限,所以由模擬結果也可得到構架滿足疲勞強度要求的結果。
5結論
本文結合實例,詳細介紹了用有限元分析軟件MSC/PATRAN和MSG/NASTRAN對機車轉向架構架強度計算和分析的方法。對于文中構架,根據計算結果可得到滿足靜強度和疲勞強度要求的結論。由此進一步探討用有限元的理論和相應軟件對機車轉向架構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向架構架應用安全可靠性方面進一步普及。大大降低生產成本。
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