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一種機(jī)車用過分相傳感器安裝座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2017-09-19 07:16劉海強(qiáng)周光濱
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年27期
關(guān)鍵詞:有限元分析

劉海強(qiáng)++周光濱

摘 要:根據(jù)目前運(yùn)行中過分相傳感器安裝座焊縫出現(xiàn)裂縫的情況,采用有限元分析軟件對其進(jìn)行一系列主要性能的分析計算以優(yōu)化過分相傳感器安裝座結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,改進(jìn)后的過分相傳感器安裝座從理論上所受最大應(yīng)力降低26.76%、沖擊應(yīng)力降低22.06%、最大沖擊應(yīng)變能降低55.46%,是一個比較合理的設(shè)計輸出。

關(guān)鍵詞:過分相傳感器安裝座;有限元分析;性能計算;結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號:U26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)27-0049-02

引言

在機(jī)車傳感器裝置中,過分相傳感器安裝座(下稱過分相)的作用是連接機(jī)車轉(zhuǎn)向架與過分相傳感器,并保證傳感器安裝的穩(wěn)定性,提高安裝座的耐交變應(yīng)力性對機(jī)車運(yùn)行過程中具有重大意義。

本文采用有限元對機(jī)車過分相的受力、變形量位移、沖擊應(yīng)力、沖擊應(yīng)變能方面進(jìn)行分析計算,通過對可能的方案進(jìn)行優(yōu)選,得到一個所受應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、沖擊應(yīng)變能均減小的過分相。

1 過分相各性能有限元分析計算

1.1 靜態(tài)分析

根據(jù)過分相藍(lán)圖建立過分相模型,其中板和連接板的材質(zhì)為16MnDR,圓筒及筋板的材質(zhì)為Q345E,焊縫的材料為焊絲G2Si。16MnDR的機(jī)械性能為:抗拉強(qiáng)度Rm=540MPa、屈服強(qiáng)度Rel=400MPa;Q345E的機(jī)械性能為:抗拉強(qiáng)度Rm=550MPa、屈服強(qiáng)度Rel=360MPa;焊絲G2Si的機(jī)械性能為:抗拉強(qiáng)度Rm=524MPa、屈服強(qiáng)度Rel=436MPa。

如圖1所示,過分相頂部孔所在平面及孔內(nèi)表面為固定表面,過分相在靜態(tài)狀態(tài)下只受到底部連接板及傳感器的重力作用,受力為30N(下限30N)。對其進(jìn)行受力分析,過分相受應(yīng)力情況為:在靜態(tài)狀態(tài)下受到最大的應(yīng)力為2.866MPa,處于下筋板與下連接板的焊接部位;最大變形量為1.095×10-3mm,處于下連接板底部,由此可知過分相在靜態(tài)狀態(tài)下受力情況遠(yuǎn)低于零件的屈服強(qiáng)度(此焊縫等級為低級,根據(jù)EN15085要求,焊縫的屈服強(qiáng)度要求小于0.5倍焊縫材料屈服強(qiáng)度[1],因此焊縫的屈服強(qiáng)度Rel=218MPa)。

1.2 疲勞分析

將模型介入100萬次循環(huán)疲勞破壞分析試驗(yàn),雖在靜態(tài)受力下過分相疲勞特征同樣是集中在底部連接板焊縫處,但過分相在靜態(tài)狀態(tài)下受100萬次疲勞破壞分析后依舊完好。

1.3 動態(tài)隨機(jī)震動分析

產(chǎn)品在運(yùn)行過程中避免不了震動的影響,對其進(jìn)行動態(tài)隨機(jī)震動分析,由分析結(jié)果可知就算是在動態(tài)隨機(jī)震動的情況下受到的應(yīng)力為6.742MPa,乘以安全系數(shù)1.4(因隨機(jī)震動變形量小,選擇較小安全系數(shù))計算后為10.787MPa,同樣低于材料的屈服強(qiáng)度。

1.4 動態(tài)沖擊及交變載荷分析

根據(jù)過分相在運(yùn)行過程中開裂的情況及軟件模擬分析結(jié)果可知產(chǎn)品在靜態(tài)狀態(tài)及隨機(jī)震動之下不足以對產(chǎn)品產(chǎn)生破壞,于是考慮產(chǎn)品在隨車啟停過程中慣性力作用,此時便會對過分相頂板產(chǎn)生力矩,于是對過分相進(jìn)行動態(tài)沖擊分析,分析結(jié)果為:過分相頂板上的4根筋板與板的連接處,因其受機(jī)車運(yùn)行過程中的變速運(yùn)動引起的動態(tài)沖擊影響,此處在動態(tài)沖擊中應(yīng)力和應(yīng)變能相對集中,此結(jié)構(gòu)設(shè)計無法引導(dǎo)應(yīng)力、應(yīng)變能,在反復(fù)載荷作用下,可能產(chǎn)生裂縫,并與實(shí)際運(yùn)行過程中開裂處一致。

2 過分相可行方案優(yōu)選

影響受應(yīng)力零件(動態(tài)加載)的最多故障都是因于形狀有關(guān)的問題引起的,這些問題不但不能很好的引導(dǎo)應(yīng)力,還可能引發(fā)應(yīng)力的形成。于是,對過分相上的加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化,如圖2所示,將筋板斜邊處開400的圓弧(此處開400圓弧僅用于建立全局敏感度分析,無特殊意義)。然后將400圓弧尺寸介入模型全局敏感度分析,各方案參數(shù)詳見表1。

根據(jù)以上取點(diǎn)數(shù)據(jù),并結(jié)合以下公式計算各優(yōu)化值進(jìn)行比較,比較結(jié)果如表2所示。

最大應(yīng)力(或最大沖擊應(yīng)力)優(yōu)化值

最大變形位移優(yōu)化值

由以上分析可知,模型最大應(yīng)力集中區(qū)域存在于模型下筋板端焊縫區(qū),而模型最大變形位移存在于下板邊角區(qū),由過分相實(shí)體圖可知(圖1),過分相下板處還連接有連接板,由于連接板的限制作用,實(shí)際中的變形量比理論計算的變形量還要小,由于目前過分相產(chǎn)品在機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行中,開裂處為上筋板與上板連接的焊縫區(qū),因此沖擊應(yīng)力的優(yōu)化結(jié)果應(yīng)為主要參考因素,結(jié)合全局應(yīng)力及變形位移,選擇圓弧320mm方案,并對其建立模型介入以上分析得出以下結(jié)果,將其得出的實(shí)際結(jié)果與原模型各量計算出的優(yōu)化值如表3所示。

由以上對比結(jié)果可知,優(yōu)化后最大沖擊應(yīng)力及最大沖擊應(yīng)變能優(yōu)化效果比較顯著,再將其介入1000萬次循環(huán)疲勞破壞分析試驗(yàn),同樣對疲勞破壞無影響。

3 結(jié)束語

通過對過分相結(jié)構(gòu)的改進(jìn),與原結(jié)構(gòu)相比最大應(yīng)力降低26.76%,變形量減少1.28%,最大沖擊應(yīng)力降低22.06%,最大沖擊應(yīng)變能降低52.46%,由此可見改進(jìn)模型筋板后能良好的傳遞沖擊應(yīng)力及沖擊應(yīng)變能,是一個合理的設(shè)計輸出。

參考文獻(xiàn):

[1]EN 15085-3-2007鐵路上的應(yīng)用-鐵路車輛及其部件的焊接第3部分:設(shè)計要求[Z].endprint

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