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基于PERA SIM的机车转向架静力学强度仿真

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安世亚太结构工程师

白增程

摘      要


本文利用安世亚太自主开发的通用结构仿真软件 PERA SIM Mechanical,对机车转向架进行了结构静力学仿真分析,并对构架的等效应力情况做出了评定。此外,本文展示并验证了PERA SIM Mechanical的部分功能,希望对其他工程师有所帮助。


    词:转向架,结构静力学,PERA SIM Mechanical

0.引言


近年来我国高速铁路的快速发展对我国经济发展和人们生活方式的影响极大赢得了社会各界的赞誉。我国生产的CRH系列高速动车组不仅成功在内地运营而且不断开拓着国际市场。转向架在铁道车辆运行的过程中能够缓和轨道不平顺对列车的冲击保证车辆运行的稳定性、安全性和曲线通过能力。因此开发高性能转向架是发展高速动车组技术的关键。


本文应用有限元分析软件 PERA SIM Mechanical建立了构架有限元模型,确定了需要分析的转向架构架组合工况后,进行静力学仿真分析,并对构架的等效应力情况做出评定。


1.转向架静力学与研究方法


1.1 模型

转向架由两个梯形结构的测量和中间一根横梁组成。为了加强结构强度,梯形结构上下梁之间有纵梁连接加固。横梁与两个梯形结构测量之间通过弹簧连接。梯形结构两边通过轴承与轮轴相连。如图1所示。


图1 转向架结构


1.2 构架材料

构架结构的材料采用结构钢,其杨氏模量为2e5Mpa、泊松比为0.3,密度为7.85e3kg/m3。


1.3 载荷

在转向架牵引点处沿纵向作用的最大牵引力。根据其受力情况组合,可以形成11种计算工况:


工况1:超常垂向载荷

作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax

构架上的每个电机超常悬吊载荷FZxdmax


工况2:超常横向载荷FY


工况3:超常纵向载荷Fx


工况4超常斜对称载荷

一个车轮15mm垂向位移


工况5:超常垂向载荷+超常横向载荷

作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax

构架上的每个电机超常悬吊载荷FZxdmax

超常横向载荷FY


工况6:超常垂向载荷+超常纵向载荷

作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax

构架上的每个电机超常悬吊载荷FZxdmax

超常纵向载荷Fx


工况7:超常垂向载荷+超常斜对称载荷

作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax

构架上的每个电机超常悬吊载荷FZxdmax

超常斜对称载荷

一个车轮施加15mm垂向位移


工况8:超常垂向载荷+超常横向载荷+超常纵向载荷

作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax

构架上的每个电机悬吊载荷 FZxdmax

超常横向载荷FY

超常纵向载荷Fx


工况9:超常垂向载荷+超常横向载荷+超常斜对称载荷

作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax

构架上的每个电机超常悬吊载荷 FZxdmax

超常横向载荷FY

超常斜对称载荷

 一个车轮施加15mm垂向位移


工况10:超常垂向载荷+超常纵向载荷+超常斜对称载荷

作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax

构架上的每个电机超常悬吊载荷 FZxdmax

超常纵向载荷Fx

超常斜对称载荷

一个车轮施加15mm垂向位移


工况11:超常垂向载荷+超常横向载荷+超常纵向载荷+超常斜对称载荷

作用在转向架侧梁上的超常垂直载荷FZmax

构架上的每个电机超常悬吊载荷 FZxdmax

超常横向载荷FY

超常纵向载荷Fx

超常斜对称载荷

一个车轮施加15mm垂向位移


本文以工况5:超常垂向载荷+超常横向载荷为例,对转向架的静强度进行受力分析。其中垂直方向载荷Fz=168240N,横向载荷Fx=124640N。

2.有限元模型的建立


2.1 模型导入及检查

PERA SIM Mechanical具有丰富的几何接口,包括多种CAD和CAE文件类型,如:IGES、STEP、SAT等几何模型数据以及Catia、Creo、SolidWorks等软件的几何数据的导入以及cdb、inp(ANSYS)、dat、vtu、inp(ABAQUS)、bdf等多种网格模型数据的导入。


 图2 转向架模型导入

图3 转向架结构


软件可以根据几何间隙自动探测并创建绑定关系。


图4 自动探测创建接触


2.2 网格划分

PERA SIM Mechanical支持全局网格控制和局部网格控制两种控制方式。全局模型默认的网格类型为四面体网格,通过定义网格最大最小尺寸控制全局网格质量。如下图所示。


 

图5 全局网格设置

 图6 全局网格质量


也可以通过定义局部零部件网格尺寸和划分规则,确定局部零部件的网格质量。


 图7 局部网格设置

 图8 局部网格质量


PERA SIM Mechanical支持并行网格划分技术,可以充分利用硬件资源,缩短仿真设置的时间成本。


 图9 并行网格划分


2.3 材料定义

PERA SIM Mechanical支持多种材料属性的定义,包括但不限于线弹性、正交各向异性、双线性(多线性)等向强化塑性、双线性(多线性)随动强化塑性以及复合材料失效准则等。支持梁截面的轮廓定义,包括H型、L型、工字梁、槽钢、T型、Z型、帽型、圆、圆环、矩形、矩形框、用户自定义等多种梁截面形状的设置。


本例中分别定义了结构钢材料的杨氏模量,泊松比以及密度,根据问题中提到的材料属性,定义界面如下。


10 材料属性定义

图11 材料密度定义

图12 截面属性定

图13 模型属性赋值



2.4 载荷及边界条件

PERA SIM Mechanical提供丰富的边界条件、载荷、激励的类型,如固定位移、指定位移、远端位移、集中力、压力、重力、加速度、加速度谱、速度谱、位移谱、远端力、温度、PSD、转动速度、转动加速度、热分析结果数据、初应变、热流、对流、辐射等,支持常量、表格的多种定义方式。


本例中采用集中力载荷形式,分别定义了垂直载荷和水平载荷,以及固定约束。如图所示。


图14 垂直载荷设置

 图15 垂直载荷设置

 图16 横向载荷设置

图17 横向载荷设置


2.5 作业提交

对Model及task创建作业,基于前处理设置,对作业进行数据检查,防止出现数据设置不合理或遗漏现象。


 图18 模型检查及提交计算

3.计算结果分析


PERA SIM Mechanical后处理包括云图、矢量图、等值线/等值面、切面图、动画、二维数据表/曲线、非线性收敛曲线、应力线性化、响应PSD、用户自定义、工况组合等。


本例中主要查看转向架的位移和应力情况,如下图所示。


 图19 转向架位移云图

 图20 转向架等效应力云图

             
             

图21 转向架截面位移云图

             
             

 图22 转向架截面等效应力云图 

             
             

图23 转向架任意曲线上节点等效应力曲线

4.结论


本文利用PERA SIM Mechanical结构仿真软件,实现了机车转向架的结构静力学分析。完成模型导入、网格划分、约束边界及求解参数设置等处理后,进行快速求解,得到了转向架结构的位移和应力结果。


通过本案例可以看出,PERA SIM Mechanical结构仿真软件能够处理完整的静力学仿真。


1. 几何层面上来讲,软件支持自建模型,同时支持多种外部模型类型的导入;


2. 网格层面,软件支持局部网格控制、全局网格控制,支持网格类型定义,支持扫掠网格生成,支持并行分网;


3. 材料和单元层面来讲,软件支持梁、壳、杆、实体等多种单元类型,支持常用的线性非线性材料属性的定义;


4. 接触角度来看,软件支持绑定、无摩擦等线性接触,同时也支持摩擦接触等非线性接触类型;


5. 激励和边界条件层面来讲,软件支持压力、压强、远端载荷等多种载荷类型,支持固定约束、远端唯一、平移转动等约束类型的定义;


6. 后处理层面来看,软件可以查看计算的位移、应力应变等结果云图,也支持查看特性截面的云图展示,同时支持特定曲线上的应力提取等功能。


本例仅能展示PERA SIM Mechanical结构分析软件的部分功能,还有很多功能有待感兴趣的工程师进一步的尝试开发。


         

安世亚太具有业界完整的自主仿真技术体系,引领中国自主仿真技术发展。自主研发的PERA SIM通用仿真软件能够提供通用物理场(结构、热、流体、电磁、声学)及耦合场分析功能,以及能同时适用于结构、流体、电磁、声学等学科的通用前后处理器。



   



 



 

来源:安世亚太
Mechanical静力学复合材料非线性通用航空航天汽车SolidWorksCreo声学电机材料控制ANSYS
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-09-20
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