3000馬力調車撒砂支架有限元靜強度及疲勞分析與優化

劉洪璋+曲仁龍

摘要：對3000馬力調車撒砂支架結構在工況下進行有限元仿真計算分析，根據計算結果進行結構改進，達到設計要求。

關鍵詞：撒砂支架；有限元；疲勞；優化

中圖分類號：TQ028.3 文獻標志碼：A 文章編號

引言

砂管支架斷裂存在較大的安全隱患，所以對撒砂支架結構進行有限元仿真計算分析能夠應力分布狀況并根據此進行結構改進，達到設計要求。

1支架結構形式

該支架主體部分由8mm、10mm厚的板構成，安裝在轉向架下端。支架具體結構如圖1.1所示。

1.1支架有限元模型

簡化螺栓連接，將支架上端簡化為全約束，將支架中間設備設為集中質量，生成計算模型。采用四面體10節點體單元[1]對實體模型進行離散。計算模型中節點總數為385047個，單元總數為240571個。

1.2支架基本計算載荷

該支架安裝在轉向架上，強度計算參考 BS EN13749-2011鐵路設施.轉向架結構要求[2]的規定方法。超常載荷包括最大垂向加速度=± 20.0 g ；最大橫向加速度=± 10.0 g ；最大縱向加速度=± 5.0 g。疲勞載荷包括垂向加速度=± 6.0 g；橫向加速度=± 5.0 g ；縱向加速度=± 2.5 g。

1.3支架載荷工況

將超常載荷、疲勞載荷以及實際運行情況對這些載荷的組合采取以下工況。

工況一：最大正向垂向加速度；工況二：最大反向垂向加速度；工況三：最大正向縱向加速度；工況四：最大反向縱向加速度；工況五：最大正向橫向加速度；工況六：最大反向橫向加速度；工況七：疲勞正向垂向加速度；工況八：疲勞反向垂向加速度；工況九：疲勞正向縱向加速度；工況十：疲勞反向縱向加速度；工況十一：疲勞正向橫向加速度；工況十二：疲勞反向橫向加速度。工況一～六為超常工況，工況七～十二為疲勞工況。支架與轉向架構架連接處簡化為全約束。

2強度評定依據

砂箱材質為Q235B，按照GB/T700-2006《碳素結構鋼》標準和古德曼材料疲勞應力曲線該材料的機械性能如表2.1示。在強度評價中采用第四強度理論導出的等效應力（又稱Von Mises 應力）來評價[3]，此等效應力不得超過相應計算工況的許用應力。第四強度理論的含義是：在任意應力狀態下，材料不發生破壞的條件是：

3 強度計算分析

3.1計算結果分析

各工況的最大應力（即Von Mises應力，下文同）及出現位置見表3.1。后四種工況下焊縫處應力很大不滿足許用應力上限，根據模型在更工況下的受力特點將模型部分進行修改如圖3.1所示。

3.2改良模型計算分析

模型修改后各工況的最大應力及出現位置見表3.2。修改后模型滿足所有工況條件，所有工況的最大應力值比原模型減小。

4結論

原模型無法達到設計要求，根據原模型的計算結果進行針對性修改，改良后模型滿足所有工況條件，在疲勞橫向加速度工況下應力最大減小46.25%，且模型總重量也有所下降。

參考文獻：

[1] 王新敏， ANSYS工程結構數值分析[M]. 北京：人民交通出版社， 2007， 135-145.

[2] BS EN13749-2011鐵路設施.轉向架結構要求 [S].

[3] 劉鴻文， 材料力學[M]. 北京：高等教育出版社， 2004， 242-251.