新西蘭機車發(fā)運吊具結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值模擬研究

摘 要：基于有限元分析軟件I-DEAS，建立了新西蘭機車發(fā)運吊具和吊銷的幾何模型，并對其進行網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷并進行計算，分析吊具和吊銷在機車整車吊裝的變形和應(yīng)力，并根據(jù)技術(shù)要求進行強度校核。計算分析結(jié)果表明，機車吊具和吊銷的強度滿足要求，性能可靠。

關(guān)鍵詞：機車；吊具；強度；有限元

中圖分類號：TP391.72

機車在發(fā)運吊裝過程中，吊具結(jié)構(gòu)是否具有足夠的強度以滿足吊裝的要求非常重要。吊具在吊裝機車過程中主要由發(fā)運吊具和車體吊銷以及吊車用鋼絲繩共同作用實現(xiàn)吊裝。機車吊具、吊銷的強度決定了吊裝過程是否安全。本次分析了新西蘭機車發(fā)運吊具的強度以滿足其發(fā)運吊裝的要求。

1 機車發(fā)運吊具概況

本次分析計算的機車發(fā)運吊具主要由橫向撐桿和縱向撐桿組裝而成。橫向撐桿由L50×50×6和L36×36×5的角鋼和鋼板焊接而成；縱向撐桿由L70×70×8和L36×36×5的角鋼和鋼板焊接而成，材質(zhì)均為Q235-A。車體吊銷的為圓柱型，吊裝時安裝在車體底架的吊裝位置，材質(zhì)為45號鋼。

機車發(fā)運吊具和車體吊銷應(yīng)能達到如下所述的安全系數(shù)。（1）在108t載荷作用下，機車發(fā)運吊具的安全系數(shù)不小于1.8；（2）在27t載荷作用下，車體吊銷銷體的安全系數(shù)不小于1.6。

表1列出了機車發(fā)運吊具及吊銷材料的基本力學(xué)特性：

表1 材料的屈服極限和許用應(yīng)力

材料部件屈服極限MPa許用應(yīng)力MPa

Q-235機車發(fā)運吊具235131（s=1.8）

45號鋼吊銷355222（s=1.6）

2 吊具及吊銷模型

本文選用大型通用的集CAD/CAE/CAM于一體的軟件I-DEAS進行吊具和吊銷模型的建立以及有限元強度分析。

2.1 吊具模型

由于吊具的橫向和縱向撐桿主要由不同型號的角鋼和厚板焊接而成，在有限元仿真模擬時主要采用殼單元進行模擬，所以幾何建模時對于角鋼建立的幾何模型是面，厚板建立的幾何模型是體。對撐桿分別建立幾何模型然后組裝在一起，撐桿的幾何模型如圖1-4所示。

圖1 橫向撐桿（一）幾何模型 圖2 橫向撐桿（二）幾何模型

圖3 縱向撐桿（一）幾何模型 圖4 縱向撐桿（二）幾何模型

由于吊具具有縱向及橫向兩個對稱面，并且所受的載荷也是對稱的，因此取1/4結(jié)構(gòu)進行有限元分析。采用殼單元和四面體單元進行結(jié)構(gòu)離散，共劃分111314個單元和70349個節(jié)點，網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 1/4機車發(fā)運吊具有限元網(wǎng)格

由其結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)性質(zhì)可得：當(dāng)取1/4結(jié)構(gòu)進行有限元分析計算時，約束施加在吊具結(jié)構(gòu)的對稱面上。

2.2 吊銷模型

車體吊銷安裝在車體底架相應(yīng)的吊裝位置，用來吊裝機車車輛。所以取出底架側(cè)梁吊裝的相應(yīng)位置和吊銷進行接觸模擬，具體幾何模型及有限元模型如圖6、7所示：

圖6 車體吊銷結(jié)構(gòu)簡圖 圖7 車體吊銷和底架裝配有限元網(wǎng)格

載荷27t作用在鋼絲繩與其接觸的位置；吊銷銷體與底架的接觸處設(shè)置接觸約束；在底架側(cè)梁取出的部分邊界設(shè)置固定約束。

3 應(yīng)力計算結(jié)果分析

3.1 吊具應(yīng)力分析

經(jīng)過有限元分析計算，機車發(fā)運吊具節(jié)點節(jié)點的最大Mises應(yīng)力為129MPa，發(fā)生在端板與縱支承槽鋼的交接處，小于材料的許用應(yīng)力131 MPa，節(jié)點的Mises應(yīng)力分布如圖8、9示。

圖8機車發(fā)運吊具節(jié)點Mises應(yīng)力云圖 圖9 機車發(fā)運吊具局部應(yīng)力最大點Mises應(yīng)力云圖

3.2 吊銷應(yīng)力分析

車體吊銷節(jié)點最大Mises應(yīng)力為220MPa，發(fā)生在吊銷體與底架側(cè)梁接觸處，小于材料的許用應(yīng)力221 MPa，節(jié)點的Mises應(yīng)力分布如圖所示。

圖10車體吊銷節(jié)點Mises應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

在機車發(fā)運吊具設(shè)計時，采用計算機仿真模擬的方法進行強度分析，可以減少設(shè)計成本和時間提高效率。由于在實際機車發(fā)運吊裝中，吊銷和吊具在檢測時有裂紋出現(xiàn)，所以采用有限元強度分析可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足，并方便改進設(shè)計方案，避免和減少在機車吊裝試驗中出現(xiàn)失誤的幾率。對于已有吊具，當(dāng)載重增加時強度是否滿足要求，能否保證吊裝安全，也可以采用這種方法來實現(xiàn)強度的校核。

本文運用I-DEAS有限元分析軟件對新西蘭機車發(fā)運吊具和吊銷進行了有限元強度分析，分析結(jié)果表明在吊裝時其應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，強度滿足要求，性能可靠。可以為以后的機車發(fā)運吊具設(shè)計提供參考。

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作者簡介：王玉艷（1977-），女，黑龍江雞西人，講師，碩士，研究方向：機車車輛結(jié)構(gòu)強度分析。

作者單位：大連交通大學(xué)車輛教研室，遼寧大連 116028

基金項目：遼寧省教育廳項目（項目編號：L2012164）。