黨安旺　王德柱

摘? 要：該文主要通過ANSYS有限元分析軟件進行四點支撐懸浮平臺的結構強度、線圈溫升計算分析，對四點支撐懸浮平臺的結構進行優(yōu)化設計。在設計過程中，用銅導線纏繞的線圈所產(chǎn)生的懸浮力減去自身的重量。通過溫升計算，將線圈材料改為鋁材，因為其密度較低，所以設計出的四點支撐變形較小，有利于更好地檢測懸浮距離。而后期則對四點支撐懸浮平臺進行了試驗，為磁懸浮車輛的設計積累了經(jīng)驗，希望能為相關人員起到一定參考價值。

關鍵詞：懸浮;強度分析;溫升計算

中圖分類號：TM315? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

隨著社會的不斷進步、發(fā)展，安全舒適、節(jié)能環(huán)保、快速便捷成了軌道交通發(fā)展的必然趨勢，正是在這一背景下，磁懸浮列車得以孕育而生。早在20世紀70年代，德國、日本、英國、韓國等國家就相繼開展了磁懸浮列車的研究工作。

現(xiàn)存磁懸浮列車技術按其懸浮方式主要分為電磁吸引懸浮、永磁力懸浮、感應斥力懸浮等;按電磁鐵種類主要分為常導吸引型、超導排斥型等，目前其對應列車速度分別已達到400 km/h～500 km/h、500 km/h～600 km/h。

我國自20世紀80年代開始對磁懸浮列車技術進行研究，最具有代表性的單位是西南交通大學、國防科技大學，1989年國防科技大學通過深入研究，成功研制出了一臺小型磁懸浮原理樣車。西南交通大學于1994年研制成功了中國第一輛可載人常規(guī)低速磁浮列車，而國防科技大學在1995年5月，成功研制出了我國第一臺載人磁懸浮列車。之后，我國相繼在高溫超導磁懸浮列車技術，永磁懸浮技術方面展開研究。目前我國成功運營的線路有中德兩國合作開發(fā)的上海磁懸浮列車，其速度可達430 km/h。

1 四點支撐懸浮平臺結構設計方案

四點支撐懸浮平臺結構設計如圖1所示。如圖2所示，車架中空處穿入軌道，軌道和四點支撐懸浮平臺都放置在立于

注：（1）車架支撐;（2）“U”型鐵芯;（3）懸浮模塊;（4）左右限位裝置;（5）懸浮距離感應器。

地面的架子上，通過設計車架的高度尺寸保證線圈上表面與軌道下表面的懸浮距離。

2 強度計算

材料機械性能： 車架，材料：0Cr18Ni9，彈性模量： 206 GPa，密度7.85 g/cm3，泊松比0.3，屈服極限205 MPa;支架，材料：20/Q235，彈性模量： 206 GPa，密度7.85 g/cm3，泊松比0.3，屈服極限235 MPa。

2.1 車架強度分析

車架三維模型如圖1所示，懸浮模塊通過螺栓連接到車架上，整個懸浮力將通過螺栓傳遞到車架下面的托臂，把車架懸起，車架采用0Cr18Ni9不銹鋼制造。

2.1.1 有限元模型1

在Sizing中，選中捕捉窄縫和曲率，其余默認，網(wǎng)格單元數(shù)53萬。

2.1.2 邊界條件及加載

單個懸浮模塊，通電產(chǎn)生向上的懸浮力共為350 N，對稱表面施加固定邊界條件。

2.1.3 計算結果

在邊界條件下，計算得出位移變形最大為0.04 mm，車架的最大應力為65 MPa。

2.2 支架強度分析

支架承擔車架裝配體及2個軌道的重量，采有Q235碳素結構鋼制造。

2.2.1 有限元模型2

在Sizing中，選中捕捉窄縫和曲率，其余默認，有限元模型網(wǎng)格單元數(shù)166萬。

2.2.2 邊界條件及加載

平臺懸浮時，四點支撐懸浮平臺及軌道自重共2 440 N，每個角施加610 N，四角地面施加固定邊界條件，連接部分bonded。在非運行時狀態(tài)下，平臺完全落在支架上，此時的載荷施加到每個接觸點為250 N，支架的四角壓力為260 N。

3 線圈溫升計算

線圈的溫度計算，主要目的是使四點懸浮平臺能夠長時間的懸浮，不破壞線圈的絕緣。該四點懸浮結構的線圈，采用自然風冷。四點懸浮結構的線圈主要通過通電產(chǎn)生對導軌的吸力，稱該力為懸浮力。在產(chǎn)生同樣懸浮力的情況下，對鋁導線、銅導線的線規(guī)、匝數(shù)取一樣，分析計算其溫升。 溫度計算采用ANSYS軟件建模分析。根據(jù)傳熱學理論，穩(wěn)態(tài)運行的熱傳導方程計算，計算時對線圈模型進行簡化、加載和求解。

3.1 基本數(shù)據(jù)

幾何參數(shù)： 線規(guī)2 mm×3.5 mm，線圈截面積30 mm×61 mm，電流密度1.5 A/mm2，重量銅導線/鋁導線4.5 kg/1.4 kg，電阻率銅導線/鋁導線1.732×10-8Ω·m/2.83×10-8Ω·m。

銅導線產(chǎn)熱率計算：

Q=38970 W/m3

鋁導線產(chǎn)熱率計算：

Q=63680 W/m3

材料特性：鋁導線比熱容量880 J/（kg·K）， 熱導率203 W/（m·k）銅導線比熱容量381 J/（kg·K），熱導率381 W/（m·k），鋼比熱容量427 J/（kg·K）， 熱導率50 W/（m·k），絕緣比熱容量85 J/（kg·K）， 熱導率2 W/（m·k）。

3.2 模型簡化

由于懸浮平臺4個懸浮模塊相隔較遠，其通風散熱彼此影響較小，所以取懸浮模塊的1/4進行建模分析。

3.3 有限元模型

在Sizing中，選中捕捉窄縫和曲率，其余默認，有限元模型網(wǎng)格單元數(shù)147萬。

3.4 邊界條件及加載

自然對流換熱系數(shù)取h=6 W/（m·k）。

（自然對流一般0 W/m2～10 W/m2），環(huán)境溫度T=40 ℃。

3.5 溫度分布

銅導線的溫度最高73 ℃，鋁導線的溫度最高94 ℃，2種材料的導線線圈溫度都滿足溫升要求，但是銅導線比鋁導線重3.1 kg，懸浮力無法撐起該重量，因此選擇鋁材制作懸浮線圈。

4 結論

該文通過ANSYS有限元分析軟件進行四點支撐懸浮平臺的結構強度、線圈溫升計算分析。通過把線圈的常規(guī)材料由銅改為鋁，在溫升滿足要求的情況下，把銅改鋁減輕了車架結構重量，大大降低了車架的變形，而且有利于懸浮距離的檢測。后期對四點支撐懸浮平臺進行了試驗，為磁懸浮車輛的設計積累了經(jīng)驗。

參考文獻

[1]張楊，吳超.磁懸浮列車技術發(fā)展路線研究[J].技術與市場，2017（6）：160-161.

[2]董麗，王淑敏，時守華.透過專利看高速磁懸浮列車制動技術沿革[J].中國發(fā)明與專利，2018（5）：52-56.