基于Hyper Mesh 與ANSYS 的鎬窩回填車車架有限元分析

豆玉龍

（中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650093）

鎬窩回填車是一種應(yīng)用于有砟鐵路線的大型養(yǎng)路設(shè)備， 它的主要功能是回填搗固車作業(yè)后產(chǎn)生的鎬窩。 相較于人工回填鎬窩， 使用鎬窩回填車來回填鎬窩， 不僅作業(yè)效率高而且節(jié)省了大量的勞動(dòng)力。 鎬窩回填車在設(shè)計(jì)過程中， 車架是整機(jī)的基礎(chǔ)件和承載件，車架不僅承受整機(jī)自重，縱向、橫向的作業(yè)力以及機(jī)車連掛時(shí)的牽引力，而且也是工作機(jī)構(gòu)、司機(jī)室、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)安裝的基礎(chǔ)。 因此，在車架設(shè)計(jì)過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范。 本文通過使用HyperMesh[1]和ANSYS[2]軟件聯(lián)合仿真，對(duì)鎬窩回填車車架進(jìn)行垂向靜載車架剛度分析、 拉伸組合工況下車架應(yīng)力分析及壓縮組合工況下車架應(yīng)力分析， 模擬出不同工況下車架所產(chǎn)生的位移變化及應(yīng)力變化云圖，檢查分析結(jié)果是否滿足鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 模型處理及網(wǎng)格劃分

1.1 模型處理

將三維模型導(dǎo)入HyperMesh 中進(jìn)行前處理，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，針對(duì)不同的矩形管、板等設(shè)置不同的截面參數(shù)，在建模過程中忽略一些小孔、小圓弧等細(xì)節(jié)。簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖1 所示。

圖1 Hyper Mesh 中處理后的模型

1.2 網(wǎng)格劃分

一個(gè)復(fù)雜模型的有限元計(jì)算，分析者往往把大部分的時(shí)間用在建立有限元模型，諸如調(diào)整網(wǎng)格形狀、大小等，HyperMesh 擁有強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能，且能夠自動(dòng)劃分出高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，大大縮短了整個(gè)有限元分析過程。 這也正是本文采用HyperMesh 這一軟件的主要原因。 車架有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系中，Y 軸指向車輛運(yùn)行前方，X 軸與線路方向相垂直，Z 軸垂直于軌道平面， 其正方向?yàn)樨Q直向上。 通過抽取中面， 處理模型中的自由邊使原本相連的片體連接起來，針對(duì)不同零部件，賦予不同材料屬性及厚度，車架構(gòu)件材料全部為Q420D，其技術(shù)參數(shù)為：彈性模量：2.06e5MPa；密度：7.83e-9t/mm3；泊松比：0.3。 本次車架計(jì)算，網(wǎng)格尺寸控制為20mm，通過shell181 殼單元建立有限元模型，共離散為210214 個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成shell181單元210389 個(gè)。 車架有限元網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 車架有限元模型

2 載荷及計(jì)算工況

2.1 車輛基本作用載荷及其組合

2.1.1 垂向靜載荷

垂向靜載荷包括自重、載重和整備重量。

2.1.2 垂向動(dòng)載荷

考慮到車輛過軌時(shí)動(dòng)載荷的作用，垂向動(dòng)載荷下的應(yīng)力為垂向靜載荷下的應(yīng)力乘以動(dòng)荷系數(shù)Kdy來得到。

垂向動(dòng)載荷系數(shù)Kdy按式（1）計(jì)算：

式中：

fj－車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，mm；

V－車輛的構(gòu)造速度；

b－系數(shù)，取值為0.05；

d－系數(shù)，貨車取值為1.65，客車取值為3.0；

a—系數(shù)，簧上部分取值為1.50，簧下部分取值為3.50；

c—系數(shù)，簧上部分取值為0.427，簧下部分取值為0.569；

計(jì)算得出，動(dòng)載荷系數(shù)約為0.3。

2.1.3 側(cè)向力（包括離心慣性力和風(fēng)力）

按TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》6.3.3 規(guī)定，在計(jì)算或試驗(yàn)車體側(cè)梁、枕梁的強(qiáng)度時(shí)， 可不施加側(cè)向力而以加大垂向載荷來考慮側(cè)向力的影響。 垂向載荷增加數(shù)值：參照貨車取值為垂向靜載荷的10%，Kc ＝0.1。

2.1.4 斜對(duì)稱載荷和扭轉(zhuǎn)載荷

本車車體結(jié)構(gòu)為心盤支重式，故不考慮斜對(duì)稱載荷，但在第一工況中考慮40kN·m 的扭轉(zhuǎn)載荷。

2.2 計(jì)算工況

表1 計(jì)算工況

鎬窩回填車為工程車輛，考慮工況依照TB/T1335的規(guī)定，總共計(jì)算3 個(gè)工況，如表1 所示。

3 結(jié)果分析

車體剛度分析中，車體支承在旁承上，使底架處于水平狀態(tài)， 施加均布或集中載荷。 按照TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)鑒定規(guī)范》中要求底架承載的敞、平車撓度要滿足公式（2）:

式中f 為最大撓度值，L 為車架的心盤距。 鎬窩回填車車架心盤距為9100mm，根據(jù)公式（2）計(jì)算得出車架最大撓度值不應(yīng)超過10.11mm。

車體強(qiáng)度分析過程中，根據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)鑒定規(guī)范》中規(guī)定，車架結(jié)構(gòu)在各工況下的強(qiáng)度通過結(jié)構(gòu)最大von_Mises 應(yīng)力評(píng)定，該應(yīng)力定義如式（3）所示：

式中：σeq——各節(jié)點(diǎn)處von_Mises 應(yīng)力；σi（i=1,2,3）——為各節(jié)點(diǎn)主應(yīng)力。 鎬窩回填車車架采用Q420D 零部件焊接而成，板厚小于等于16mm，其需用應(yīng)力值為263MPa；板厚大于16mm，小于等于40mm，其需用應(yīng)力值為250MPa。

3.1 重力工況剛度分析

在靜載工況下，車架中部垂向最大撓度為7.546mm，出現(xiàn)在車架中部偏右，車架右端的最大撓度為6.379mm，均小于10.11mm，車架剛度滿足設(shè)計(jì)要求。 車體的垂向位移分布圖如圖3、圖4 所示。

圖3 重力工況下車架整體垂向變形

圖4 重力工況下車架最大垂向變形

3.2 拉伸組合工況下車架應(yīng)力分布

圖5 拉伸組合工況下車架的應(yīng)力分布

圖6 拉伸組合工況下車架上最大應(yīng)力點(diǎn)

圖7 拉伸組合工況下車架局部應(yīng)力集中點(diǎn)

圖8 拉伸組合工況下車架局部應(yīng)力集中點(diǎn)

拉伸組合工況下等效應(yīng)力分布如圖5-圖7 所示。 其中最大應(yīng)力點(diǎn)為圖5、圖6 所示的承載砟斗及分砟裝置的工字梁上平面，為211.628MPa，圖7、圖8 為車架上應(yīng)力集中值較大的位置，最大值為199.673MPa，應(yīng)力值均小于材料Q420D 的許用應(yīng)力，符合TB/T1335 的要求。

3.3 壓縮組合工況下車架應(yīng)力分析

圖9 壓縮組合工況下車架的應(yīng)力分布

圖10 拉伸組合工況下車架的最大應(yīng)力點(diǎn)

圖11 拉伸組合工況下車架局部應(yīng)力集中點(diǎn)

圖12 拉伸組合工況下車架局部應(yīng)力集中點(diǎn)

壓縮組合工況下具體等效應(yīng)力分布如圖9-圖12 所示。 其中最大應(yīng)力點(diǎn)為圖9、圖10 所示的承載砟斗及分砟裝置的工字梁上平面，為208.95MPa，圖11、圖12 為車架其他部件應(yīng)力集中值較大的位置，最大值為191.22MPa，應(yīng)力值均小于材料Q420D 的許用應(yīng)力，符合TB/T1335 的要求。

4 結(jié)束語

本文通過HyperMesh 和ANSYS 聯(lián)合仿真，對(duì)車架剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析， 從位移及應(yīng)力云圖上可以看出此車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，局部應(yīng)力集中可通過焊接筋板來消除。 在鐵路工程車輛設(shè)計(jì)中， 通過HyperMesh 和ANSYS 聯(lián)合仿真分析車架靜強(qiáng)度不僅可以保證車架靜強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)軌蛞淮瓮ㄟ^，也大大節(jié)約了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期及企業(yè)研發(fā)成本。