支承導(dǎo)軌焊接裝置模型的模擬仿真分析

李　密，李國康，杜金波，耿文新

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159)

支承導(dǎo)軌焊接裝置模型的模擬仿真分析

李密1，李國康2，杜金波1，耿文新1

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159)

摘要：應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行三維模型模擬仿真，不僅驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，還找到了支承裝置的相對(duì)薄弱點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)階段通過對(duì)相對(duì)薄弱點(diǎn)的加強(qiáng)，提高了焊接裝置的整體強(qiáng)度，使其整體穩(wěn)定性顯著提升，導(dǎo)軌支承裝置的安全性能得到了有力保證。此方法適用于結(jié)構(gòu)簡單、工況單純的工具工裝，簡單實(shí)用。

關(guān)鍵詞：仿真；失穩(wěn)；強(qiáng)化

在現(xiàn)代城市建設(shè)中，軌道交通處于飛速發(fā)展階段，其使用中的安全性能是尤為重要的一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。筆者在給某軌道交通公司設(shè)計(jì)軌道支承系統(tǒng)時(shí)，為保證整個(gè)系統(tǒng)的受力變形量不超過指定值，在方案設(shè)計(jì)中應(yīng)用Pro/E軟件建立三維模型的同時(shí)，進(jìn)行了模擬仿真，驗(yàn)證了方案的可行性，最終得到了較好的設(shè)計(jì)效果，在三維建模的同時(shí)可完成仿真分析，方法簡單實(shí)用。

1導(dǎo)軌模型的建立

在支承導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)中，要求導(dǎo)軌與水平面成60°夾角使用，承重28 t。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　模型結(jié)構(gòu)

其中，導(dǎo)軌使用43號(hào)重軌，整體導(dǎo)軌長8.54 m，沿導(dǎo)軌方向的縱連接板及墊板使用厚度為20 mm的Q235鋼板，橫筋板采用厚的Q235鋼板。其間的內(nèi)縱梁采用300HW型鋼，外縱梁采用300HN型鋼。連接板及封板采用厚度為20 mm的Q235鋼板，縱連接板使用32B槽鋼。

為了制造及使用、運(yùn)輸方便，支承架采用模塊化設(shè)計(jì)，即將整個(gè)支架分為4個(gè)對(duì)稱的焊接件，各模塊在中間連接板處以40條M20螺栓聯(lián)接，在縱連接板處以80條M20螺栓聯(lián)接后使用。

支承導(dǎo)軌在使用中要求零件最大變形量≤0.3 mm，因此，支承導(dǎo)軌的導(dǎo)軌、外縱梁、內(nèi)縱梁和內(nèi)支板變形量均≤0.3 mm。

2仿真模型研究

在設(shè)計(jì)中對(duì)支承導(dǎo)軌進(jìn)行變形分析將是一個(gè)繁瑣的過程，因而改為應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件對(duì)其三維模型進(jìn)行模擬仿真分析，希望得到與實(shí)際使用中相同的分析結(jié)果。本文應(yīng)用Pro/E軟件中的Mechanic模塊進(jìn)行模擬仿真分析。

由于導(dǎo)軌支承裝置整體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在模擬仿真中只對(duì)裝置的1/4進(jìn)行模擬仿真分析，仿真模型如圖2所示。

圖2　仿真模型

首先，對(duì)裝置中的材料進(jìn)行賦值。該裝置中的材料設(shè)定為“steel”，并對(duì)“steel”的下述屬性進(jìn)行定義：材料各向同性、密度、泊松比、彈性模量、拉伸屈服應(yīng)力、拉伸極限應(yīng)力、壓縮極限應(yīng)力、失效強(qiáng)度衰減因子、材料類型和表面粗糙度等。

然后，根據(jù)裝置現(xiàn)實(shí)使用狀況對(duì)其進(jìn)行約束。圖2中的A面、B面和C面為連接面，定義為固定狀態(tài)約束，即x、y、z向不能平移也不能旋轉(zhuǎn)，自由度為0；裝置的底面放置于地面上，因此也定義為在x、y、z向不能平移不能旋轉(zhuǎn)，自由度為0。裝置中的其他面為自由狀態(tài)，同時(shí)對(duì)裝置進(jìn)行載荷加載。裝置上的導(dǎo)軌受力為垂直向下的重力，可達(dá)28 t。

該裝置為全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此考慮取其1/4做仿真分析，導(dǎo)軌受力同樣為原裝置受力的1/4，為7 t。載荷及約束定義如圖3所示。

圖3　載荷及約束定義

3仿真結(jié)果分析

建立標(biāo)準(zhǔn)/靜態(tài)分析，選用單通道自適應(yīng)方法進(jìn)行分析，要求輸出計(jì)算應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)、反作用及局部應(yīng)力誤差。最終得到位移分析結(jié)果如圖4所示。

圖4　位移條紋圖

從圖4可以看出，裝置最大位移出現(xiàn)在內(nèi)筋板和導(dǎo)軌的中間位置上，為0.252 2 mm，符合零件變形量≤0.3 mm的設(shè)計(jì)要求。

為保證支承導(dǎo)軌裝置的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性，本文對(duì)裝置的失穩(wěn)情況進(jìn)行了模擬仿真分析。在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上建立標(biāo)準(zhǔn)/失穩(wěn)分析，使用單通道自適應(yīng)方法，要求輸出計(jì)算應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)、反作用及局部應(yīng)力誤差。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　失穩(wěn)位移圖

從圖5可以看出，當(dāng)裝置超過使用極限而使中間位置的內(nèi)筋板和內(nèi)縱梁的變形量達(dá)到1 mm時(shí)，失穩(wěn)將由裝置中間位置的內(nèi)筋板和內(nèi)縱梁上開始，此時(shí)失穩(wěn)因子為17.41。從模擬仿真分析結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)中規(guī)定的最大變形量<0.3 mm，已經(jīng)將安全系數(shù)考慮在內(nèi)。

根據(jù)模擬仿真分析的結(jié)果可以看出，在中間位置的內(nèi)筋板和內(nèi)縱梁筋板兩側(cè)適當(dāng)增加墊板，將有利于提高裝置的穩(wěn)定性，使整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度趨于平衡；因此，對(duì)支承導(dǎo)軌裝置進(jìn)行了改進(jìn)，在模型中間的內(nèi)筋板和內(nèi)縱梁加筋板上增加厚度為20 mm的筋板，改進(jìn)后的模型如圖6所示。

圖6　改進(jìn)后模型

4結(jié)語

應(yīng)用Pro/E軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的模擬仿真，不僅驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，還找到了支承裝置的相對(duì)薄弱點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)階段通過對(duì)相對(duì)薄弱點(diǎn)的加強(qiáng)，提高了焊接裝置的整體強(qiáng)度，使其整體穩(wěn)定性顯著提升，導(dǎo)軌支承裝置的安全性能得到了有力保證。此方法適用于結(jié)構(gòu)簡單、工況單純的工具工裝，簡單而實(shí)用。

責(zé)任編輯鄭練

Simulation Analysis of the Welding Device Model Supported by the Guide Rail

LI Mi1, LI Guokang2, DU Jinbo1, GENG Wenxin1

(1.Beijing North Vehicle Group Corporation, Beijing 100072, China; 2.Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Abstract:In the paper, a three-dimensinal model was simulated by using the Pro/E software. The simulation not only verified the design rationality, but also exposed the comparatively weak points of the supporting device. By improving the weak points in the design phase, both the general strength and the overall stability of the welding device were enhanced. Besides, the safety performance of the guide rail supporting device can get a forceful guarantee as well. This method was designed for the tools and equipments with simple constructions and operating conditions, which is effective and easy to work.

Key words:simulation, instability, strengthening

收稿日期：2014-05-27

作者簡介：李密(1971-)，女，高級(jí)工程師，副主任工藝師，主要從事非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)、工具工裝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TB 472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A