基于顯式動(dòng)力學(xué)的軌道除沙車拋沙鏟瞬態(tài)動(dòng)力分析

李晨陽(yáng)，郭　斌，吳文江

(石家莊鐵道大學(xué)　a.機(jī)械工程學(xué)院；b.工程訓(xùn)練中心，河北　石家莊　055000)

拋沙鏟是軌道除沙車的關(guān)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(huì)發(fā)生沙子堵塞到除沙車中，進(jìn)而影響集沙過程的進(jìn)行，可以說(shuō)拋沙鏟如同汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸一樣是除沙車的核心部件，拋沙鏟的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)良直接影響軌道除沙車的使用壽命和工作質(zhì)量，因此有必要對(duì)拋沙鏟進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，得出其易損點(diǎn)在后期改進(jìn)的時(shí)候進(jìn)行加強(qiáng)。拋沙鏟的主要工作環(huán)境與是與沙子接觸，并與沙子進(jìn)行碰撞，使沙子得以拋出。因此傳統(tǒng)的靜力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)分析無(wú)法滿足要求，所以采用Workbench中的Explicit Dynamic進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[1]，Explicit Dynamic采用AUTODYN的求解器，默認(rèn)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(dǎo)入

為了真實(shí)模擬風(fēng)扇在碰撞時(shí)候的受力情況，采用了Soildworks的三維建模，尺寸依據(jù)拋沙車設(shè)計(jì)尺寸，如圖1所示的風(fēng)扇系統(tǒng)實(shí)物圖，風(fēng)扇由液壓馬達(dá)帶動(dòng)以較高的轉(zhuǎn)速將沙子沿傾斜的導(dǎo)流板扇出除沙車外[2]。

圖2為在做動(dòng)力學(xué)分析[3]時(shí)候的模型圖，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)跟沙子接觸將沙子拋到一側(cè)，從而將沙子拋出除沙車。

即導(dǎo)流通道內(nèi)徑為420 mm，并且加裝傾斜導(dǎo)流板，拋沙扇系統(tǒng)主要包括主軸，拋沙扇支架，風(fēng)扇葉片，設(shè)計(jì)參數(shù)如下表1。

建立模型時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)是：

1)要確保建模時(shí)的坐標(biāo)中心放置在風(fēng)扇軸的軸心處保證在顯式動(dòng)力學(xué)加入角速度

表1　風(fēng)扇系統(tǒng)部件的主要參數(shù)

2)為了在Explicit Dynamic便于添加點(diǎn)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(dǎo)入到workbench的Geometry中，并在其中打開模型將組成風(fēng)扇的零部件選中后設(shè)置From Now Part,來(lái)保證劃分網(wǎng)格的時(shí)候風(fēng)扇是作為一個(gè)整體不可拆分部件來(lái)劃分，相鄰物體之間有共同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

保存已經(jīng)設(shè)置好的三維模型，完成模型導(dǎo)入。

2　顯示動(dòng)力學(xué)前處理

前處理階段是所有有限元分析的最關(guān)鍵階段。

首先設(shè)置部件材料，將流體沙子的材質(zhì)設(shè)為SAND剛度特性改為Flexible,拋沙鏟的材質(zhì)設(shè)為STEEL4340剛度特性為Flexible。

其次設(shè)置接觸，將沙子和扇葉的接觸面的接觸設(shè)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(guān)系以阻止分析之中兩材質(zhì)的相互穿透，稱之為軟件的強(qiáng)制接觸協(xié)調(diào)性。在workbench的Explicit Dynamic中的非線性物理接觸有兩種，分別為罰函數(shù)和增強(qiáng)型拉格朗日公式，根據(jù)罰函數(shù)比增強(qiáng)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(shè)置為Frictionless[4]。

劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分類型為Explicit劃分方式為自動(dòng)劃分，自動(dòng)化分后觀察拋沙扇上的網(wǎng)格已經(jīng)比較細(xì)密，無(wú)需再進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格。

然后設(shè)置初始條件，給拋沙扇施加角速度，轉(zhuǎn)速定義類型為Components,方向設(shè)置為Z component，轉(zhuǎn)速為400RPM，如若在模型建立時(shí)坐標(biāo)中心沒在主軸軸線上，那么此時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)中線將很難確定。

最后進(jìn)行分析設(shè)置，End time設(shè)置為0.000 1 s,其他設(shè)置不變，然后插入約束，約束類型為軸兩端點(diǎn)的Displacement約束，一端X、Y、Z的components設(shè)置為0 mm，另一端X、Y components為0mm Z端free，這種約束方式是轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的常用約束，約束風(fēng)扇的5個(gè)自由度僅剩下一個(gè)沿軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

3　計(jì)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(fēng)扇的位移云圖，應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力云圖。

如圖3為風(fēng)扇的一個(gè)葉片在一個(gè)工位時(shí)的位移分布云圖，風(fēng)扇有一個(gè)初始的400RPM的初速度，在這個(gè)初速度下，其中兩個(gè)風(fēng)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(yuǎn)處產(chǎn)生最大變應(yīng)應(yīng)變值為0.849 97 mm。

根據(jù)出初始條件當(dāng)在ω=400RPM風(fēng)扇扇葉離最遠(yuǎn)端離軸線為R=202.87 mm，t=0.000 1 s的時(shí)候風(fēng)扇所轉(zhuǎn)動(dòng)的弧長(zhǎng)P：

據(jù)此可以得出仿真出的風(fēng)扇的位移與事實(shí)相符。

如圖4可以得出，在風(fēng)扇最大應(yīng)變的ε=0.000 483 21在t=0.1 ms時(shí)產(chǎn)生于風(fēng)扇支架作用沙子的扇葉相連處，圖5可以看出最大應(yīng)力σ=99.8 MPa在t=0.1 ms時(shí)產(chǎn)生在風(fēng)扇支架與扇葉連接位置，與風(fēng)扇連接處為拉應(yīng)力，另一側(cè)為壓應(yīng)力。為查數(shù)據(jù)可知，優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼的的抗拉壓屈服強(qiáng)度均在350 MPa以上，風(fēng)扇支架的所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，所以材料不會(huì)發(fā)生屈服變形[5]。但值得注意的是，由于拋沙扇的轉(zhuǎn)速較快，應(yīng)力最大處集中在支撐架與扇葉連接處最大應(yīng)力值為σ=99.8 MPa，該處屬于材質(zhì)分布相對(duì)薄弱，轉(zhuǎn)子的循環(huán)運(yùn)動(dòng)必定會(huì)使該處處在周期循環(huán)應(yīng)力的工作環(huán)境下，所以該處應(yīng)該在后期進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，必要的時(shí)候進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

4　結(jié)論

1)通過使用workbench里的Explicit Dynamic(ANSYS)模塊可以較好的將風(fēng)扇與沙子接觸的碰撞瞬間的仿真，得到的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的位移分布云圖，應(yīng)變分布云圖和應(yīng)力分布云圖，為風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步改進(jìn)做出了理論依據(jù)；2)通過分析應(yīng)力云圖可知，在最大進(jìn)沙量情況下，風(fēng)扇在該工位處的應(yīng)力極值99.8Mpa，遠(yuǎn)小于優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限，可得出拋沙鏟的當(dāng)前設(shè)計(jì)滿足使用要求的結(jié)論；3)結(jié)合拋沙鏟的情況，得出風(fēng)扇最大應(yīng)力產(chǎn)生處長(zhǎng)期處于交變應(yīng)力狀況下，從中得到了最大應(yīng)力值以待后期進(jìn)一步疲勞強(qiáng)度校核。

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