Ansys軟件在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)中的應(yīng)用

孫曉云

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)的城市軌道交通方興未艾。為保證擁有一個(gè)有效、快速，便捷的交通，軌道交通作為主要的趨向已開(kāi)始平凡的出現(xiàn)在我們的生活中。轉(zhuǎn)向架作為一個(gè)重要部件被用來(lái)承載車(chē)輛，提供牽引力（動(dòng)力轉(zhuǎn)向架）、減震以及車(chē)輛的導(dǎo)向。由于車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到不同的路況，因此轉(zhuǎn)向架的性能對(duì)于車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性、安全性都有一定的影響。

本論文所展開(kāi)的研究就是嘗試運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)軟件Ansys，對(duì)目前客車(chē)采用的209P型轉(zhuǎn)向架的側(cè)梁進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力仿真，得出理論應(yīng)力最大點(diǎn)，為后續(xù)試驗(yàn)提供一定數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：Ansys;轉(zhuǎn)向架;側(cè)梁;應(yīng)力

第一章 緒論

1.1轉(zhuǎn)向架側(cè)梁動(dòng)應(yīng)力分析意義

轉(zhuǎn)向架作為車(chē)輛的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，是關(guān)系到貨物運(yùn)輸安全的重要因素之一。而構(gòu)架或側(cè)架是轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)，把轉(zhuǎn)向架各零、部件組成一個(gè)整體，所以它不僅僅承受、傳遞各種作用力和載荷，而且它的結(jié)構(gòu)、形狀、和尺寸大小都應(yīng)滿(mǎn)足各零、部件的結(jié)構(gòu)、形狀及組裝的要求（如應(yīng)滿(mǎn)足制動(dòng)裝置、彈簧減震裝置、軸向定位裝置等安裝的要求）。所以對(duì)于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的動(dòng)應(yīng)力分析尤為重要。

1.2轉(zhuǎn)向架側(cè)梁動(dòng)應(yīng)力分析方法

轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的動(dòng)應(yīng)力^[1]的分析實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)位置選擇合理與否，將直接關(guān)系到轉(zhuǎn)向架側(cè)梁動(dòng)應(yīng)力的測(cè)試數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可信，其對(duì)評(píng)價(jià)被測(cè)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否合格至關(guān)重要。本試驗(yàn)就是利用數(shù)值仿真技術(shù)軟件Ansys軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架的側(cè)梁進(jìn)行模型建立，并對(duì)其加載，找出應(yīng)力最大點(diǎn)，然后在該點(diǎn)進(jìn)行貼片測(cè)試。

209P轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁是由多個(gè)鑄鋼板焊接而成，因此在模型建立時(shí)采用板殼單元，由下而上的建模順序。根據(jù)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，為減小工作量，選擇整體結(jié)構(gòu)的1/4建立幾何模型，后利用Ansys軟件的優(yōu)勢(shì)對(duì)其施加對(duì)稱(chēng)約束，最后顯示出整個(gè)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行分析求解。

第二章 Ansys簡(jiǎn)介

2.1Ansys發(fā)展過(guò)程

Ansys公司成立于1970年，總部在美國(guó)賓夕法尼亞的匹茲堡，是目前世界CAE（Computer-aided Engineering，即計(jì)算機(jī)輔助工程）行業(yè)最大的公司。Ansys公司自1996年2月開(kāi)始在中國(guó)推廣其有限元分析軟件。Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)等。

2.2Ansys軟件的分析步驟

1、創(chuàng)建有限元模型^[2-3]。2、施加荷載進(jìn)行求解。3、察看分析結(jié)果。

2.3Ansys模塊化結(jié)構(gòu)

軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。

前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶(hù)可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

第三章 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的模型建立與結(jié)果分析

3.1 創(chuàng)建幾何模型

第一步：指定工作文件名和工作標(biāo)題;第二步：定義單元類(lèi)型;第三步：定義材料性能參數(shù);第四步：模型建立。

本次建模采用自底向上的方式進(jìn)行實(shí)體建模，從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次由點(diǎn)連成線，由線連成面，由面形成體

3.2劃分網(wǎng)格

由于側(cè)梁各板厚度不同，所以在劃分網(wǎng)格之前需要建立兩個(gè)板厚。在Preprocessor à Add/Edit/Delete中選擇Add 添加兩個(gè)新的單元類(lèi)型，在對(duì)話框中輸入板的厚度。

劃分網(wǎng)格：Preprocessor? Meshing à Default Attribs選擇劃分網(wǎng)格的材料實(shí)常數(shù)，在這里先對(duì)側(cè)梁下板進(jìn)行劃分網(wǎng)格，然后Meshing à Mesh Tool在對(duì)話框中點(diǎn)擊mesh 然后對(duì)要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的面進(jìn)行選擇，單擊“OK”。

Preprocessor à Meshing à Default Attribs à real constant set number 中選擇1，重復(fù)上述步驟，對(duì)其余面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.3加載求解

施加載荷之前先對(duì)該側(cè)梁施加位移約束和對(duì)稱(chēng)約束，側(cè)梁的1/4結(jié)構(gòu)中，受力部分主要有兩處，一處為通過(guò)一系彈簧的傳遞將車(chē)輪與鋼軌之間的作用力傳遞到側(cè)梁上，方向豎直向上，另一處為通過(guò)心盤(pán)、橫梁的傳遞，承受車(chē)體載荷的力，方向豎直向下。

利用Ansys軟件在對(duì)結(jié)構(gòu)加載求解時(shí)，主要是為了觀察最大應(yīng)力的位置，所以只需要滿(mǎn)足兩處加載的力的大小是相同的即可，而不需要加載具體車(chē)體、轉(zhuǎn)向架等各零、部件的質(zhì)量。

3.4計(jì)算及結(jié)果分析

3.4.1求解

為方便看轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的應(yīng)力分布圖，利用Ansys軟件中的對(duì)稱(chēng)約束，顯示整個(gè)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁結(jié)構(gòu)。

3.4.2結(jié)果顯示

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，選擇顯示第四強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力，即Von Mises應(yīng)力。

GUI：Main?Menu：General?Postproc?→ Plot?Results Contour?Plot?→ Nodal?Solve →?Stress?→ Von?Mises?Stress → OK，結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

3.4.3結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)圖1中Von Mises 應(yīng)力的分布圖可以看出，轉(zhuǎn)向架中間部位相對(duì)兩邊而言彎曲變形較大。圖2中側(cè)梁的3個(gè)點(diǎn)處的應(yīng)力比較大，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)可以選擇該三點(diǎn)進(jìn)行貼片測(cè)試。

第四章 結(jié)論

在科技發(fā)達(dá)的今天，利用軟件對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行仿真建模，可以準(zhǔn)確的得到想要的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的動(dòng)應(yīng)力的分析實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)位置選擇合理與否，將直接關(guān)系到轉(zhuǎn)向架側(cè)梁動(dòng)應(yīng)力的測(cè)試數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可信，其對(duì)評(píng)價(jià)被測(cè)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否合格至關(guān)重要。本論文，通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù)軟件Ansys軟件，對(duì)209P轉(zhuǎn)向架側(cè)梁進(jìn)行建模分析，找出了側(cè)梁Von Mises應(yīng)力的最大點(diǎn)，為后續(xù)對(duì)轉(zhuǎn)向架的各種試驗(yàn)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 姜瑞金，謝基龍.轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架彈簧托板疲勞試驗(yàn)方法研究[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，06，52-54.

（作者單位：沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）