基于有限元法的摇枕疲劳强度分析1双螺杆
2022-09-29 22:16:23
基于有限元法的摇枕疲劳强度分析(1)
基于有限元法的摇枕疲劳强度分析(1) 2012 从2006年开始,我国铁路货车运输全面提速,而且载重能力也大幅增加,因此对铁路列车安全性的要求越来越高。摇枕是货车转向架三大件结构之一,是重要的承载部件,是车辆车体和转向架构架之间的连接装置,主要承受和传递交变的垂向力、横向力和纵向力,故转向架摇枕的疲劳强度,对铁道机车车辆运行的安全性、可靠性和经济性至关重要。 在车辆运用中,摇枕的运营工况非常恶劣,这样会导致摇枕萌生裂纹和裂纹扩展,而线路运行时出现的各种异常情况,加剧了裂纹的产生和扩展,最终会引起疲劳破坏,会对行车安全构成严重威胁。因此,对转向架摇枕的疲劳问题进行研究具有重要意义。1 摇枕的疲劳强度计算1.1单元离散化 通过Solid Works建立摇枕模型。把建好的模型导入Hyper Mesh软件划分网格,有限元的单元类型选用四面体四节点单元Solid 45。根据摇枕模型的尺寸,综合考虑计算量和准确性,网格划分时,单元尺寸取为15mm。离散后可得单元数为35 792个,节点数为l0 892个。弹性约束采用Colnbinl4,其中弹簧元的单元数为40个,如图l所示。1.2载荷工况及边界条件 在摇枕的实际运行中,摇枕承受的载荷较为复杂。本文按照摇枕的实际受载情况,在摇枕的两端侧的6个弹簧支撑上分别施加横向、垂向和纵向弹性约束。分别计算了摇枕在心盘单独受载(Q),单侧旁承受载(Z)及两侧旁承受载(Z-Z~)这3种工况下的摇枕应力分布。图2为摇枕加载模型示意图。 其中载荷P等于转向架轴重与轴数的乘积减去转向架自重,为一个转向架承受的垂向静载荷。 G为转向架轴的净质量,为27 t; H为转向架的自身净质量,为5 000 k9。1.3有限元应力计算结果及疲劳强度评定 利用ANSYS软件对摇枕进行有限元静态分析。图3为摇枕在心盘单独载荷作用下的第一主应力云图。最大应力值位置为摇枕的下表面中央和漏砂孔,应力值为223.14 MPa。 图4为摇枕在单侧旁承受载下的第一主应力云图。最大应力值位置为摇枕的下表面端部拐角,应力值为l86.26 MPa,摇枕在两侧旁承受载下的第一主应力云图,最大应力值位置为摇枕的下表面端部拐角,应力值为83.92 MPa。 分析上图可知,心盘在单独受载的情况下,应力最大,对摇枕造成的损伤最严重;在单侧旁承受载的情况下,摇枕的应力比较大,损伤也不是特别大;在旁承均布受载的情况下,摇枕的受力比较小,因此损伤也不明显。 此外,摇枕上表面以受压为主,下表面以受拉为主,压缩平均应力作用时,S.,v曲线上移,同样应力幅作用下寿命增大。应重点考虑摇枕的下表面。 本文通过有限元分析计算的结果找到摇枕上3个最薄弱的点,分别为下表面中央部位,下表面漏砂孔部位,下表面端部拐角部位。 依据丸堰标准的脉动循环应力.寿命曲线和最大主应力考核准则,求得各载荷工况下的损伤,再利用Miner线性累积损伤理论,求得摇枕各疲劳薄弱部位的总损伤,计算结果及各薄弱点在各工况下的应力值如表1所示。 根据美国AAR机务标准中M-202.05“铸钢转向架摇枕设计和试验规范,对摇枕进行疲劳强度分析。疲劳试验载荷与评定考核标准为100万次载荷循环的疲劳累计损伤值小于1,下面为疲劳试验载荷工况: (1)心盘单独受载循环不低于50万次; (∞单侧旁承受载循环不低于25万次; (3)两侧旁承受载循环不低于25万次。 由表l可以看出,在正常铸造质量水平下(Kf=1.5),总的载荷循环数为100万次时,摇枕各部位的疲劳累积损伤值均小于1,也就说明通过100万次的载荷循环后,该摇枕没有发生疲劳破坏,符合强度标准。
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