基于Abaqus轉(zhuǎn)向架對(duì)角線檢具熱變形仿真分析

李壽全， 李林杰， 王宏宇， 彭程

（中國(guó)北車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

0 引言

貨車的走行部分稱之為貨車轉(zhuǎn)向架，車體重量支撐其上并可與車體相互轉(zhuǎn)動(dòng)，是鐵路貨車重要的組成部分，其主要作用是承受和傳遞車輛在運(yùn)行中的各種動(dòng)載荷及輪軌間的作用力，保證貨車安全地在直線和曲線區(qū)段上運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)傳遞牽引力和車輛制動(dòng)的功能。為了控制轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向架對(duì)角線檢具，以檢測(cè)轉(zhuǎn)向架側(cè)架內(nèi)外導(dǎo)框交線組裝尺寸，其檢測(cè)位置如圖1所示。

圖1 檢測(cè)位置示意圖

檢具外形尺寸為3 286 mm，檢測(cè)尺寸為2 076 mm，檢測(cè)時(shí)需2人操作,結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于檢具外形尺寸和測(cè)量尺寸較大，對(duì)溫度較敏感，為了研究溫度變化對(duì)其尺寸精度影響，采用達(dá)索公司非線性通用有限元分析軟件Abaqus對(duì)其進(jìn)行熱變形仿真分析［1］。借助于Abaqus平臺(tái)，能夠準(zhǔn)確得到檢具測(cè)量值隨溫度變化曲線，工程技術(shù)人員可以此曲線為參考，在避免復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的條件下，獲得不同使用溫度環(huán)境對(duì)應(yīng)的檢具制造公差，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的目的。

圖2 檢具結(jié)構(gòu)圖

1 模型建立

1.1 熱應(yīng)力物理方程

若物體內(nèi)部存在誤差分布 ΔT（x，y，z）因溫差引起的熱膨脹量為αTΔT，αT為熱膨脹系數(shù)，物體的物理方程由于引入了熱膨脹量，將變?yōu)椋?］

1.2 網(wǎng)格及材料屬性

表1 45鋼材料屬性

該檢具由多個(gè)零件組成，采用第三方網(wǎng)格劃分工具劃分網(wǎng)格，并以inp文件導(dǎo)入Abaqus軟件中［3］，測(cè)得有 C3D8型六面體單元 128 391個(gè)，C3D4型四面體單元29 310個(gè)，實(shí)體單元數(shù)共計(jì)157 701個(gè)。整個(gè)零件采用45鋼，在定義材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，參考溫度為273 K。其材料屬性如附表1所示。

1.3 邊界載荷及分析步

該檢具為手持式檢具，使用時(shí)雙人握緊把手，為了研究熱影響，忽略檢具所受重力，設(shè)置邊界條件［4］。建立1個(gè)通用靜力學(xué)分析步驟，時(shí)間為1 s。在系統(tǒng)默認(rèn)初始分析步創(chuàng)建初始溫度場(chǎng)，大小為273 K，在通用靜力學(xué)分析步將溫度場(chǎng)定義為301 K，以此來(lái)模擬溫度在0～28℃之間變化對(duì)檢具精度的影響。為了準(zhǔn)確地反映溫度變化對(duì)測(cè)量精度影響，取編號(hào)21 136和20 261的2個(gè)節(jié)點(diǎn)，并以檢具長(zhǎng)度方向位移U3作為歷史歷程輸出。

1.4 相互作用及作業(yè)

檢具由多個(gè)零件組成，其連接主要有焊接、螺栓連接、螺釘連接等，其相互作用以接觸為主?？紤]到研究目的主要是溫度對(duì)其尺寸精度影響，并不考慮局部接觸應(yīng)力大小，為避免復(fù)雜的非線性接觸運(yùn)算［5］，節(jié)省計(jì)算成本，提高分析效率，假設(shè)各零部件之間接觸部分具有相同自由度，以tie的連接形式為主，建立作業(yè)，并提交分析。

2 分析結(jié)果

2.1 應(yīng)力應(yīng)變

經(jīng)過(guò)6個(gè)增量步和6次迭代，該分析得到了收斂。為了更清楚地顯示變形情況，將變形顯示比例縮放至20倍，其應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，該檢具的最大應(yīng)力為67.7MPa，最大變形為0.5492mm，未達(dá)到45鋼材料屈服極限355 MPa。

圖3 miss應(yīng)力圖

圖4 應(yīng)變圖

2.2 節(jié)點(diǎn)位移

為了研究溫度變化對(duì)其精度影響，選取節(jié)點(diǎn)號(hào)21 136和20 261作為歷史歷程輸出，經(jīng)過(guò)后處理，得到兩點(diǎn)間距離隨溫度變化曲線，如圖5所示。分析結(jié)果表明，在溫度 0～28℃之間，測(cè)量點(diǎn)的距離由2 706 mm變?yōu)? 706.88 mm。

圖5 測(cè)量點(diǎn)間距隨溫度變化曲線

3結(jié)語(yǔ)

以Abaqus軟件為平臺(tái)，根據(jù)轉(zhuǎn)向架對(duì)角線檢具的幾何與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了C3D8和C3D4兩種單元類型，簡(jiǎn)化了模型，避免了復(fù)雜了接觸分析［6-7］，考慮到溫度場(chǎng)對(duì)精度影響，得到了檢測(cè)尺寸隨溫度變化曲線。分析結(jié)果表明，當(dāng)溫度在0～28℃之間，檢具的最大應(yīng)力為67.7 MPa，測(cè)量尺寸由2 706 mm變化為2 706.88 mm。

圖6 檢具實(shí)物圖

對(duì)于測(cè)量尺寸較大的鐵路貨車量檢具產(chǎn)品，其檢測(cè)精度隨溫差變化較大，設(shè)計(jì)量檢具時(shí)，可通過(guò)數(shù)值分析方法得到檢具檢測(cè)尺寸隨溫度變化曲線，并根據(jù)該曲線定制合理的制造公差要求。從制造的結(jié)果（圖6）來(lái)看，該方法能有效地保證檢具的測(cè)量精度，提高產(chǎn)品研發(fā)效率，對(duì)量檢具的設(shè)計(jì)研究具有重要的參考意義。

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