基于顯式動力學的軌道除沙車拋沙鏟瞬態動力分析

李晨陽，郭　斌，吳文江

(石家莊鐵道大學　a.機械工程學院；b.工程訓練中心，河北　石家莊　055000)

拋沙鏟是軌道除沙車的關鍵部件之一，拋沙鏟的拋沙速度快，沙子必須通過拋沙鏟才能將其拋出軌道路基，否則會發生沙子堵塞到除沙車中，進而影響集沙過程的進行，可以說拋沙鏟如同汽車發動機的曲軸一樣是除沙車的核心部件，拋沙鏟的設計結構的優良直接影響軌道除沙車的使用壽命和工作質量，因此有必要對拋沙鏟進行應力計算，得出其易損點在后期改進的時候進行加強。拋沙鏟的主要工作環境與是與沙子接觸，并與沙子進行碰撞，使沙子得以拋出。因此傳統的靜力學和多體動力學分析無法滿足要求，所以采用Workbench中的Explicit Dynamic進行動力學分析[1]，Explicit Dynamic采用AUTODYN的求解器，默認算法是拉格朗日算法。

1　拋沙鏟和沙子的三維模型建立與導入

為了真實模擬風扇在碰撞時候的受力情況，采用了Soildworks的三維建模，尺寸依據拋沙車設計尺寸，如圖1所示的風扇系統實物圖，風扇由液壓馬達帶動以較高的轉速將沙子沿傾斜的導流板扇出除沙車外[2]。

圖2為在做動力學分析[3]時候的模型圖，風扇轉動跟沙子接觸將沙子拋到一側，從而將沙子拋出除沙車。

即導流通道內徑為420 mm，并且加裝傾斜導流板，拋沙扇系統主要包括主軸，拋沙扇支架，風扇葉片，設計參數如下表1。

建立模型時的關鍵技術是：

1)要確保建模時的坐標中心放置在風扇軸的軸心處保證在顯式動力學加入角速度

表1　風扇系統部件的主要參數

2)為了在Explicit Dynamic便于添加點約束，要沿著軸端將軸分成4等份

然后將模型保存成后綴為x_t的文件，導入到workbench的Geometry中，并在其中打開模型將組成風扇的零部件選中后設置From Now Part,來保證劃分網格的時候風扇是作為一個整體不可拆分部件來劃分，相鄰物體之間有共同網格節點。

保存已經設置好的三維模型，完成模型導入。

2　顯示動力學前處理

前處理階段是所有有限元分析的最關鍵階段。

首先設置部件材料，將流體沙子的材質設為SAND剛度特性改為Flexible,拋沙鏟的材質設為STEEL4340剛度特性為Flexible。

其次設置接觸，將沙子和扇葉的接觸面的接觸設置為Frictionless，為了在物理上阻止兩位物體相互滲透，在程序上必須建立兩表面之間的相互關系以阻止分析之中兩材質的相互穿透，稱之為軟件的強制接觸協調性。在workbench的Explicit Dynamic中的非線性物理接觸有兩種，分別為罰函數和增強型拉格朗日公式，根據罰函數比增強型拉格朗日公式更容易收斂的特性，在Body Interactions中選擇Penalty,接觸類型同樣設置為Frictionless[4]。

劃分網格，網格劃分類型為Explicit劃分方式為自動劃分，自動化分后觀察拋沙扇上的網格已經比較細密，無需再進一步細化網格。

然后設置初始條件，給拋沙扇施加角速度，轉速定義類型為Components,方向設置為Z component，轉速為400RPM，如若在模型建立時坐標中心沒在主軸軸線上，那么此時的轉動中線將很難確定。

最后進行分析設置，End time設置為0.000 1 s,其他設置不變，然后插入約束，約束類型為軸兩端點的Displacement約束，一端X、Y、Z的components設置為0 mm，另一端X、Y components為0mm Z端free，這種約束方式是轉子運動的常用約束，約束風扇的5個自由度僅剩下一個沿軸向的轉動自由度。

3　計算求解與分析

在Solution處插入Total Deformation、Equivalent Elastic Strain、Equicalent stress然后求解得到風扇的位移云圖，應變云圖和應力云圖。

如圖3為風扇的一個葉片在一個工位時的位移分布云圖，風扇有一個初始的400RPM的初速度，在這個初速度下，其中兩個風扇由于未跟任何物體接觸所以位移沿徑向均勻變化，在離軸線最遠處產生最大變應應變值為0.849 97 mm。

根據出初始條件當在ω=400RPM風扇扇葉離最遠端離軸線為R=202.87 mm，t=0.000 1 s的時候風扇所轉動的弧長P：

據此可以得出仿真出的風扇的位移與事實相符。

如圖4可以得出，在風扇最大應變的ε=0.000 483 21在t=0.1 ms時產生于風扇支架作用沙子的扇葉相連處，圖5可以看出最大應力σ=99.8 MPa在t=0.1 ms時產生在風扇支架與扇葉連接位置，與風扇連接處為拉應力，另一側為壓應力。為查數據可知，優質結構鋼的的抗拉壓屈服強度均在350 MPa以上，風扇支架的所受應力遠小于屈服強度，所以材料不會發生屈服變形[5]。但值得注意的是，由于拋沙扇的轉速較快，應力最大處集中在支撐架與扇葉連接處最大應力值為σ=99.8 MPa，該處屬于材質分布相對薄弱，轉子的循環運動必定會使該處處在周期循環應力的工作環境下，所以該處應該在后期進行疲勞強度分析，必要的時候進行加強設計。

4　結論

1)通過使用workbench里的Explicit Dynamic(ANSYS)模塊可以較好的將風扇與沙子接觸的碰撞瞬間的仿真，得到的風扇轉子的位移分布云圖，應變分布云圖和應力分布云圖，為風扇結構的設計和進一步改進做出了理論依據；2)通過分析應力云圖可知，在最大進沙量情況下，風扇在該工位處的應力極值99.8Mpa，遠小于優質結構鋼的屈服極限，可得出拋沙鏟的當前設計滿足使用要求的結論；3)結合拋沙鏟的情況，得出風扇最大應力產生處長期處于交變應力狀況下，從中得到了最大應力值以待后期進一步疲勞強度校核。

參考文獻：

[1]浦廣益.ANSYS Workbench基礎教程與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,1993.

[2]石少卿，康建功，汪敏，等.在爆炸ANSYS/LS-DYNA在爆炸與沖擊領域內的工程應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[3]黃志新,劉成柱.ANSYS WORKBENCH 14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[4]趙麗梅,陳倫軍,張大斌,等.反擊式破碎機轉子的動力學分析[J].礦山機械.2012(10):70-72.

[5]白鵬偉.液壓挖掘機工作裝置動力學特性的研究[D].太原：山西科技大學，2013.