基于ANSYS Workbench的標定機承重結構仿真分析

張 賀，郝登運，胡廣輝，劉靜濤，明 奇

(中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著高鐵的快速發展，其覆蓋里程已達3萬公里，但沿途線路的鋪設需要投入巨大的人力、物力。吊弦標定機以其可以最大化減輕作業量的特點，在高鐵建設行業獲得了廣泛的應用。本文以某設計型號標定機的承重結構為對象，對其強度和剛度等進行分析。

結構強度的不足，是產品失效的最直接的原因[1]。在以往設計中，僅僅根據設計經驗對關鍵零部件進行強度校核，對于結構的整體強度和剛度，因計算量過大一般不做考慮。隨著大型三維軟件的應用，我們可以對整體結構的強度和剛度進行詳細分析，及時發現設計中的不足，且對縮短研制周期具有明顯的意義[2]。本文采用SolidWorks軟件對標定機承重結構進行三維建模，采用ANSYS軟件對結構進行分析。通過對其在實際工況下的應力應變情況分析，得出整個承重結構的強度和剛度不足，之后對模型的結構進行優化設計，再次對結構進行仿真分析，得出優化后的結構滿足設計要求，從而為后期對結構進行更精確的優化設計提供參考和依據[3]。

1 標定機承重結構有限元分析

1.1 建立模型

根據設計指標要求，確定標定機承重結構框架，如圖1所示。整體結構采用工字鋼和角鋼焊接而成，四周采用鋼板鋪設的方式而成，其整體結構的長、寬、高為2 800 mm×1 600 mm×610 mm。其中，支撐架的作用是固定標定機上的伸縮結構，承重梁承擔整體重量，連接架的作用是將車體的框架、承重梁及支撐架連接為一體，加強筋對整體結構進行加強。承重梁和支撐架采用工字鋼焊接而成，連接架和加強筋主要采用角鋼材料，根據實際要求，對框架進行力學分析時四周焊接材質為45鋼的面板。

1-承重梁；2-連接架；3-支撐架；4-加強筋

利用SolidWorks軟件建立承重結構框架模型，通過數據無縫連接口將保存好的.STEP文件模型導入到ANSYS分析軟件中，對標定機承重結構進行工作載荷下的應力和變形仿真分析，進而得到整體框架的應力應變情況及總體變形情況[4]。為了提高分析效率，在建模時忽略了對整體結構影響不大的零部件，同時，在分析中設定各結構件本身無缺陷，且焊接后無殘余應力發生[5]。建好后的標定機承重結構框架三維模型如圖2所示。

圖2 標定機承重結構框架三維模型

1.2 賦予材料特性

在ANSYS Workbench分析軟件中新建一個static structural的結構靜力學分析模塊，導入格式為.STEP的三維模型。通過分析模塊中的engineering data材料數據庫，對框架的不同結構賦予相應的材料特性[6]。框架結構主要選用兩種常用的材料：45鋼和Q235。各材料物理特性如表1所示。

表1 材料物理特性

1.3 劃分網格

在ANSYS Workbench中劃分網格,以四面體網格單元為主體網格單元。為確保網格質量良好，滿足可以精確分析的要求，采用MultiZone的方式劃分網格，Element Size最大尺寸為30 mm，同時transition采用slow的方式。整體框架模型的網格劃分如圖3所示，共有274 462個網格單元、576 576個節點。

圖3 框架模型的網格劃分

1.4 設定邊界條件和載荷

依據實際情況對模型添加約束和載荷，如圖4所示。根據靜力學分析時的受力狀況，對四處安裝車輪的位置(即A處)進行固定約束。框架采用焊接結構，對各零部件之間的接觸方式均采用Bonded連接。框架結構的設計載荷為2×104N，施加在C處，在對結構進行分析時，將載荷均勻分布在覆蓋于框架上的面板上，同時在B處施加向下的Standard Earth Gravity，中間支撐架上承受標定機上伸縮裝置的向下的4 000 N的重力，位于D處。

圖4 框架受力及約束圖

2 結果分析

對框架結構進行分析求解，得到的總體變形和等效應力云圖分別如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，框架的最大變形量為13.23 mm,高于設計指標的3 mm最大變形量要求,不滿足設計指標要求；從圖6應力分布云圖看出，最大應力值位于連接架和加強筋的連接處，最大值為370.57 MPa，大于45鋼材料的屈服強度值355 MPa，也不滿足設計要求。

圖5 框架總體變形云圖

圖6 框架等效應力云圖

由框架結構的總體變形云圖和等效應力云圖可知，整體框架結構的強度和剛度偏弱，導致整體結構的變形量較大、最大應力值偏高，需要對框架結構進行優化，以增加連接架和加強筋的強度和剛度。

3 改進分析

對原框架結構進行分析發現，原連接架跨度過大，且加強筋數量偏少。為增加框架結構的強度和剛度，在縱向的連接架和承重梁之間增加豎直方向的承重連接梁，同時增加加強筋的數量，對原模型進行修改后的結構如圖7所示。

對優化后的框架進行同樣外加載荷條件下的靜力學仿真分析，得到的變形云圖和等效應力云圖如圖8、圖9所示。由圖8可知，優化后的框架最大變形量僅為2.71 mm,相比優化前變形量減少了79.52%，滿足設計指標的最大變形量小于3 mm的要求。由圖9可知，框架結構的最大等效應力為284.33 MPa，位于承重梁上且和連接架相連接的部位。最大等效應力相對承重梁材料最小屈服強度355 MPa的安全系數為1.25，且此最大應力為應力集中現象造成，故優化后結構滿足設計指標要求，且最大等效彈性應變較小，說明優化后的框架結構滿足實際生產及極端工況下強度和剛度需求。

圖8 優化后的框架變形云圖

圖9 優化后的框架等效應力云圖

框架優化前、后的應力、應變及變形情況的詳細數據對比如表2所示。從表2中可以看出，結構加強后的強度和剛度均有明顯的增加，相應的變形量和優化前相比均有明顯的下降，達到對結構優化的目的。

表2 框架優化前、后數據對比

4 結論

本文采用ANSYS有限元分析軟件對標定機承重結構框架結構進行靜力學仿真分析，模擬了在實際工況下的受力變形情況，分析結果顯示框架的最大變形量及最大應力值均未滿足設計指標要求，說明整體框架的強度和剛度偏弱，需要進行加強。之后對結構進行優化加強，通過再次分析對比，發現整體變形量相較之前減少了近79.52%，僅有2.71 mm,滿足設計指標要求；最大應力值為應力集中造成且為284.33 MPa，滿足選用材料設計指標要求，基于此，說明優化后的結構滿足設計指標中的強度和剛度要求。通過此次對結構的分析—優化—再分析的過程，為后續在結構上更加精確的優化分析提供了參考，具有很好的工程實際意義，同時對減少設計缺陷、提升產品質量及控制成本都有很好的工程意義。