張 文 丁旺才 李國芳 張學(xué)山
(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院動力工程學(xué)院,210031,南京;2.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,730070,蘭州;3.北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司,100029,北京∥第一作者,助教)
城市軌道交通的發(fā)展為現(xiàn)代城市緊張的交通提供了很多便利,磁浮車輛作為城市軌道交通方式的一種,也受到了一定程度的重視。我國從20 世紀(jì)80年代起就開始了對磁浮技術(shù)的研究,如今,我國已經(jīng)開始自主研發(fā)磁浮車輛。
北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮交通系統(tǒng)供應(yīng)商。公司以技術(shù)研發(fā)、工程管理、車輛制造、服務(wù)體系為基礎(chǔ),依托工程化體系合作單位,實現(xiàn)了交鑰匙工程的磁浮交通系統(tǒng)建設(shè)模式。
本文以北控磁懸浮公司的車輛為研究對象,對其進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
目前城市軌道交通車輛的車體主要由大型中空鋁型材組成,又稱為閉口型材或者雙殼結(jié)構(gòu)。中空材料根據(jù)材料本身所具有的面外剛度高的特性,可以省略在單殼結(jié)構(gòu)中必須使用的加強(qiáng)材料,從而能夠減少零部件數(shù)量,簡化工藝。因此,在進(jìn)行磁浮車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時亦采用閉口型材。
根據(jù)磁浮車輛車體的實際設(shè)計參數(shù),建立了閉口型材車體有限元模型,參見圖1。
圖1 整車模型
根據(jù)磁浮車輛運行時的受力情況,本文設(shè)計了14 種靜強(qiáng)度計算工況,如表1所示。
表1 靜強(qiáng)度計算工況
將經(jīng)Hypermesh 軟件處理完成的有限元模型導(dǎo)入Ansys 軟件中進(jìn)行計算。通過Ansys 軟件的靜強(qiáng)度分析,得到了14 種工況下應(yīng)力及應(yīng)變的云圖,下面僅列出車體模型部分部位最大應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度的云圖。
在第1 種靜強(qiáng)度計算工況中,中梁與端梁的連接處(如圖2所示)最大應(yīng)力為459.222 MPa,超過了此處的材料屈服強(qiáng)度(215 MPa)。
在第2 種靜強(qiáng)度計算工況中,中梁與端梁連接處的最大應(yīng)力為371.888 MPa,超過了此處的材料屈服強(qiáng)度(215 MPa),如圖3所示。
在第6 種靜強(qiáng)度計算工況中,即提升整個車輛的強(qiáng)度與變形情況,司機(jī)室門柱下角(如圖4所示),最大應(yīng)力為319.663 MPa,超過了此處的材料屈服強(qiáng)度(215 MPa)。
在第12 種靜強(qiáng)度計算工況中,中梁與端梁連接處的最大應(yīng)力為460.248 MPa,超過了此處的材料屈服強(qiáng)度(215 MPa),如圖5所示。
圖2 第1 種靜強(qiáng)度計算工況應(yīng)力云圖
圖3 第2 種靜強(qiáng)度計算工況應(yīng)力云圖
圖4 第6 種靜強(qiáng)度計算工況應(yīng)力云圖
圖5 第12 種靜強(qiáng)度計算工況應(yīng)力云圖
由上述強(qiáng)度計算結(jié)果可知,工況1、2 和12 中出現(xiàn)應(yīng)力過大,而且應(yīng)力集中部位發(fā)生在中梁與端梁連接處。經(jīng)分析認(rèn)為,中梁C 形槽的游離邊的尖點與端梁相接處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。
工程上經(jīng)常有以下3 種處理方法:一是切除C 槽游離邊;二是切斷中梁與端梁的聯(lián)系;三是加截面均勻變化的筋板來消除應(yīng)力集中??紤]到切除C 槽游離邊只是將應(yīng)力集中點轉(zhuǎn)移,而中梁是車體上傳遞縱向力的重要部件,所以做了部件結(jié)構(gòu)上的改動,改進(jìn)前、后中梁端連接處的結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。
圖6 改進(jìn)前中梁端梁連接處的結(jié)構(gòu)
圖7 改進(jìn)后中梁端梁連接處的結(jié)構(gòu)
在第6 種工況中司機(jī)室門柱的下角也發(fā)生了應(yīng)力超標(biāo)的情況。經(jīng)分析,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要,此處是在邊梁端部進(jìn)行局部切除后截面突然變小的部位。為了消除應(yīng)力集中在此部位增加了過渡圓角。改進(jìn)前、后司機(jī)門柱結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。
圖8 改進(jìn)前的司機(jī)室門柱結(jié)構(gòu)
圖9 改進(jìn)后的司機(jī)室門柱結(jié)構(gòu)
將優(yōu)化后的車體模型導(dǎo)入Ansys 軟件中進(jìn)行計算,發(fā)現(xiàn)所有部位的應(yīng)力值都降到了材料屈服應(yīng)力值以下。
現(xiàn)將優(yōu)化后車體的強(qiáng)度分析結(jié)果列出,僅列出之前應(yīng)力超標(biāo)的第1、2、6、12 種工況下應(yīng)力云圖如圖 10~圖 13所示。
在研究過程中,車體強(qiáng)度計算是車輛設(shè)計過程中最為重要的一部分,因此,本文通過Ansys 軟件對磁浮車輛有限元模型進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析。
圖10 第1 種靜強(qiáng)度計算工況應(yīng)力云圖
圖11 第2 種靜強(qiáng)度計算工況應(yīng)力云圖
圖12 第6 種靜強(qiáng)度計算工況應(yīng)力云圖
圖13 第12 種靜強(qiáng)度計算工況應(yīng)力云圖
(1)根據(jù)磁浮車輛的受力情況,本文設(shè)計了14種靜強(qiáng)度分析的工況,計算了閉口型材車體的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明,在工況1、2、6、12 中出現(xiàn)了車體部位應(yīng)力過大的情況。
(2)根據(jù)計算所得的應(yīng)力值,對出現(xiàn)最大應(yīng)力的部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),并將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的車體消除了之前出現(xiàn)的應(yīng)力過大的情況。
車體結(jié)構(gòu)設(shè)計要以滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的條件為基礎(chǔ),本文作為基礎(chǔ)設(shè)計部分為磁浮車輛的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考數(shù)據(jù)。
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