轨道衡结构件有限元分析

PAGEPAGE1轨道衡结构件有限元分析内容摘要：采取Pro/E建立轨道衡沟槽及其盖板的三维模型，通过IGES中间文件将模型导入ANSYS中，基于沟槽盖板的受载特点，利用ANSYS11.0大型通用有限元软件建立支撑面约束条件下盖板的有限元力学模型，并进行应力分析，进而获得在外载荷作用下沟槽盖板的应力分布规律和变形规律，计算结果可用于修正设计，提升轨道衡盖板的可靠性，为该类零件的构造优化提供数据支撑。本文关键词语：轨道衡盖板；Pro/E；ANSYS；有限元分析O212.6A1671－7597〔2011〕1120192－020前言在经济高速增加的背景下，我们国家港口正处于快速发展时期，把握发展机遇，提升港口管理水平直接影响港口的经济效益，而设备管理作为港口综合管理的一部分对推动港口生产有主要意义。港口设备的外部工况恶劣，长期在露天条件下重载连续作业，坚持港口机械设备的稳定可靠对于港口装卸工作正常进行起着关键作用，因而对港口设备的管理提出了很高要求。现代港口的设备管理已经延伸到了产品设计环节，在港口设备零件的设计中，普遍采取的方法是设计人员根据材料力学原理、构造力学方法进行构造的设计与校核[1]。然而该种方法依靠手工计算，根据经历体验设计，其工作量大研发周期长，计算精度低，造成不需要的经济浪费，难以知足高效灵敏的产品设计要求，由于经历体验公式的计算不能精确得出各个部件的应力和变形，往往导致产品设计的不合理。事实上，可通过有限元分析的方法解决此类设备的设计问题，为优化和改良零件的构造形式提供数值参考。本文以轨道衡沟槽盖板为例，采取ANSYS软件对构造件进行了载荷模仿，作为判定该构造件能否知足强度和刚度的根据，通过优化和完善构造尺寸，以提升设备的可靠性并降低成本。1轨道衡沟槽特点轨道衡是称量铁路货车载重的衡器，分为静态轨道衡和动态轨道衡两种。轨道衡沟槽设置在翻车机入口和出口，作为台面土建基础用以知足断轨式轨道衡分别称量低速通过的重车和空车。黄骅港务公司当前1-6#翻车机共有12台轨道衡是断轨式轨道衡。轨道衡沟槽及其盖板的作用决定了其特点：1〕轨道衡称体基础的最终沉降量小于10mm；2〕轨道衡沟槽的土建基础承载的主载荷为重车和空车所施加的垂直向冲击动载荷；3〕盖板构造简单，荷载小，长期受列车经过所引起振动影响，重要起密封作用和作为行走通道。轨道衡基坑作为土建基础，采取钢筋混凝土构造，横截面尺寸如此图1示，沟槽宽800mm，高1000mm，沟槽壁面高1000mm，宽600mm，沟槽底部深度1000mm，左右两侧关于中心线对称。图1轨道衡沟槽界面尺寸图2覆盖件的横截面构造及尺寸覆盖件材质为Q235花纹板，其横截面构造及尺寸如此图2示，覆盖件尺寸参数为盖板长1200mm，宽1000mm，板厚6mm，两条加强筋高50mm，宽4mm，加强筋相距400mm，筋板焊接于盖板主体。2建模并划分网格利用功能强大的三维实体建模软件Pro/E为工具建立该构造的三维实体模型，如此图3所示。将所建模型以IGES类型存盘，然后将该数据模型导入ANSYS中，使用ANSYS软件做有限元分析。有限元法是用一个离散的构造来代替原构造作为真实构造的近似力学模型，即将所分析的连续物体划分为有限个单元，因而需先通过定义单元属性、指定网格的控制参数、生成网格完成网格划分，其网格划分如此图4所示。计算中盖板采取线弹性模型，其重要参数是：密度为7.8×103kg/m3，屈从强度为235MPa，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。图3轨道衡覆盖件的约束条件及承载方式示意图图4沟槽及其盖板的网格模型单元类型采取三维实体单元Solid45，对模型进行网格划分。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自在度。沟槽采取较大的网格划分，盖板为本文研究的重要对象，采取较为细密的网格划分。这样划分既能保障计算精度又能节约计算用时[2]。3加载界限条件并求解盖板与地面接触，重要承当静载荷，当人站立于盖板中部时盖板承载最大，本文将重要分析当人站立于盖板中部时盖板的静强度和刚度。平面静载荷是由人本身重力产生，轨道衡称体基础的最终沉降量小于10mm，因而能够忽略因地基沉降所引起重力沿垂直于盖板方向分力，取人体重量为100Kg，约束条件为沟槽支撑面的平面约束。图5盖板的MISES应力图根据试验工况，进行有限元分析，求解后得到盖板VonMises主应力分布云图〔图5〕。由图中能够看出，盖板在所选工况下，应力值分布在0～9.4MPa，应力带平行于沟槽方向和加强筋方向一致，呈斑马纹状分布。条纹出现的顺序与加强筋位置以及支撑位置及零件的几何中心有关。盖板应力最大位置出如今沟槽边缘支撑处，由于盖板支撑地方受的弯矩最大，因而导致该处的应力最大。根据强度理论，最大米塞斯等效应力应知足，式中：由图6能够看出，沟槽覆盖件变形呈倒置的高斯概率分布曲线状。间隔沟槽位置越远位移越大，变形量和间隔沟槽的位置成正比。盖板中心线处变形量最大，但其数值很小，因而知足刚度要求。图6盖板变形图根据所采取实体尺寸设计的轨道衡盖板完全符合设计要求，强度和刚度知足材料力学性能，由计算结果可知盖板在强度和刚度方面有较大裕量，可在知足强度和刚度的条件下进行优化设计。4优化设计对于构造设计人员来说，所选择的设计方案要在符合总体应用要求和性能的前提下，应充足利用材料、减轻自重、简化工艺并降低成本。轨道衡盖板加筋板的形式有许多种，最典型的加筋板构造形式为整体加筋板。但是详细布置多少根筋条、布置位置、筋板参数和母板厚度确实定在实际工程设计中通常遭到构造布局及四周环境的限制。因而，需结合实际应用条件进行相关构造的优化设计。筋板的优化设计是以知足整体构造强度和刚度条件为前提，在质量最小的条件下使其有效强度最大。可通过对几何模型中母板和筋板参数的改变，在ANSYS中分析整体构造应力分布的变化，进而总结筋板设计的规律，寻求筋板的合理布置，到达盖板有效强度最大。多种设计方案之间的比较只要在一样承载条件下才有意义。通过改变筋板参数和筋板布置间距，在特定载荷作用下分析各个设计方案中模型的应力分布，比较最大应力的变化，建立筋条数目、筋条截面积和筋板厚度对构造整体应力分布影响的关系，进而分析得出最佳的模型设计方案。筋条的数目需合理，筋条数目过多会使筋条变弱，导致临界失稳载荷下降，筋条太少会导致相邻筋条之间蒙皮失稳。本例中承当重要载荷的钢板强度足够，设计筋板是为改善盖板的稳定性和构造强度，方案中采取两条筋板对称布置的方式，筋板间隔盖板边沿300mm。实际应用中，盖板构造稳定可靠，制作加工简单，火车经过时对盖板引起的振动冲击小。图7盖板在加强筋区域应力变化图综合分析以上结果能够对该类零件的构造改良提供参考根据。图7显示沟槽覆盖件在加强筋附近应力最小，在间隔加强筋较远处，应力值较大，应力整体呈对称分布，应力值和加强筋的间隔成正比。加强筋的存在改变了盖板原应力场的分布，使得加强筋附近的应力值明显降低，在整个零件应力分布图上能够明显的看出两条蓝色区域，表示此区域应力值较低。由此可见，加强筋构造对于加强零件的构造强度起到了至关主要的作用。根据弹性力学的应力应变关系可知，采取加强筋构造能够减小零件的应变。由此可见，设计合理的加强筋构造能够有效地减小零件的变形，提升零件的刚度。5结论1〕应用Pro/E软件建立轨道衡盖板实体模型，借助Pro/E强大的建模功能可实现快速灵敏的建模，提供了简便的建模方法和直观的模型。2〕利用ANSYS分析软件，在正确开创建立有限元模型和施加载荷后，能够灵敏高效的针对不同工况下构造的受力特点进行分析并进行方案比较，得出最优设计方案，所采取的设计分析方