一種連接車體的鉸接裝置的有限元受力分析

劉佼龍　楊冠男

摘 要：采用有限元處理軟件HYPERMESH進行建模，采用HyperWorks自帶的大型非線性有限元求解器RADIOSS對此鉸接裝置進行有限元強度分析，校核強度。

關鍵詞：鉸接裝置；有限元強度分析；非線性理論

1 概述

此鉸接裝置是用于低地板車輛兩模塊之間重要的連接部件。

本次分析根據產品三維圖和車體載荷輸出，采用目前世界上最通用的有限元處理軟件HYPERMESH進行建模，最后采用HyperWorks自帶的大型非線性有限元求解器RADIOSS進行計算。

建立詳細的有限元模型需要根據實際情況對實際結構進行必要的簡化，選擇合適的單元，合理模擬實際連接連接情況，下面進行分別討論。

建模過程中對下列問題進行了簡化：圓角、倒角以及工藝凹槽等結構中尺寸相對較小的局部細節將影網格質量，處于低應力區的這些結構細節予以忽略，高應力區則不能忽略。

單元選擇：該結構件不完全對稱，為了準確模擬結構的受力情況，取整體結構建立有限元力學模型。由于鉸接裝置結構件厚度大部分都在4mm以上，厚度較厚，細長處較少，故在建立有限元模型時采用六面體單位CHEXA，該單元上的每個節點都具有6個自由度，分別為沿節點坐標系X、Y、Z方向的移動和繞X、Y、Z軸轉動。

2 有限元建模

有限元建模：結構靜力學分析是用來計算結構在固定不變的載荷的作用下的響應，也就是由穩態外載引起的系統或部件的位移、應力、應變或力，結構靜力分析不考慮慣性和阻尼的影響，但是靜力分析卻可以分析那些固定不變的慣性載荷對結構的影響，以及那些可以近似為靜力作用的隨時間變化的載荷。結構靜力分析中，由于只是分析計算由那些不包括慣性和阻尼效應的載荷作用下的結構或部件的位移、應力和應變，因此一般都假定載荷和響應固定不變。靜力分析中施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩態的慣性力（如重力和離心力）和位移載荷等。

第四強度理論認為，單元體的均方根剪應力是引起材料屈服破壞的主要因素。鉸接裝置結構的主要是鋼，材料的失效以材料發生塑性變形為標志。因此對結構靜強度校核可根據第四強度理論選擇VON Mises應力來判斷結構強度。

有限元模型如圖2所示。

如圖2所示整個固定鉸由5大件構成：安裝座1、連接銷、關節外圈、關節軸、安裝座2，其中安裝座1、安裝座2通過底部8個通用螺栓孔連接在車體壁上，它們之間則通過關節軸承與銷連接。每個部件均按照實際情況賦予材料，安裝座與銷均為鍛件，楊氏模量為2.12E5MPa，泊松比為0.28。該材料的屈服強度為930MPa，極限強度為1080MPa。為了保證計算精度，對整個構件都按照5mm劃分網格。本次有限元模型總結點數為42292個，總單元數為34890個。

單鉸下部固定鉸載荷，如表1所示。

如表1所示單鉸下部固定鉸共需計算兩種工況。（-為壓力；+為拉力）

建模說明：針對產品實際使用情況，本次分析采用非線性算法進行計算。對安裝座1的8個安裝孔的所有單元進行完全固定，約束單元的6個自由度。對安裝座的2的8個安裝孔只約束住5個自由度，釋放X軸向自由度，也就是能讓安裝座橫向傳遞力給軸承。本次分析共建立了7個非線性接觸連接，用來模擬實際運行時軸承之間、銷與安裝座之間的配合。銷軸與安裝座空位之間采用間隙接觸，關節軸承與銷軸之間采用過盈接觸。考慮到實際使用情況，本次分析在受力底座端面建立RB3剛性單元，對安裝座底部受力端面建立RB3單元進行綁定，然后整體施加力，實際加載情況見圖3、圖4中的靜應力云圖。

3 計算結果

在上述有限元網格、邊界條件和載荷作用下，采用RADIOSSS求解器對結構件兩種工況進行了有限元強度分析，下面展現分析結果。

序號1工況分析結果，如圖3所示。

由圖3可知整個部件的VON Mise應力值在序號1工況下最大值為316MPa，最大形變為0.19mm，形變十分微小且應力值遠低于安裝座材料的許用應力808MPa，關節軸承的許用應力700MPa，滿足強度要求。

序號2工況分析結果，如圖3所示。

由圖4可知整個部件的VON Mise應力值在序號2工況下最大值為461MPa，最大形變為0.28mm，形變十分微小且應力值遠低于材料的許用應力808MPa，關節軸承的許用應力700MPa，滿足強度要求。

4 工況分析總結

綜上所述工況分析可知，在目前的工況下該部件能滿足強度要求，且最大應力均發生在關節軸承處。

參考文獻

[1]李敏娟.廣州海珠有軌電車車輛主要技術特征分析[J].現代城市軌道交通，2014（3）.

[2]魏德敏.非線性理論及其引用[M].科學出版社，2004.

[3]王勖成.有限單元法[M].清華大學出版社，2003.

作者簡介：劉佼龍（1987-），男，助理工程師，本科，湖南工業大學，機械工程及自動化專業，2010年至今主要從事機械開發設計方面的工作。