庫外固定式擋車器測繪及非線性有限元分析

徐美晨，張 霖

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

軌道車輛的質量大，慣性大，而輪軌的摩擦力較小，故在線路末端設置擋車器等防護設備是一項十分必要的被動性安全措施。擋車器結構在承受沖擊載荷作用時，須要有足夠的強度，以保證列車在不損壞軌道設施的情況下，可靠停在軌道線路內[1]。因而對擋車器結構的可靠性研究尤為重要，隨著有限元仿真分析方法的不斷完善，在擋車器結構設計階段，可通常運用有限元法對其結構性能進行仿真分析[2]。

本文以原吉林日報社倉庫軌道末端的固定式擋車器為研究對象，通過運用專業基礎課、核心課和方向課的知識和技能完成實地測繪、三維建模和接觸非線性分析。

1 擋車器結構的測繪

尺寸測量是零件測繪過程中的一個必要步驟，測量的準確性對于有限元模型構建的正確性和數值法求解結果的可靠性具有重要作用。運用所學“公差及測量技術”和“軌道車輛新技術”課程的知識進行擋車器結構測量，在進行擋車器現場測量時，發現擋車器表面已布滿鐵銹。為了保證測量的精確性，先用砂紙將鐵銹除去，再利用游標卡尺進行多次測量取平均值。在測量擋車器立柱距軌面之間的距離時，利用卷尺和紅外線水平儀配合多次測量取平均值。擋車器主要部件測量數據如表1所示。

表1擋車器主要部件測量數據mm

部件尺寸工字型橫梁中心線板支撐架長358381595寬4611．51042高20151042

在考察擋車結構特點之后，得知該擋車器屬于庫外固定式擋車器。庫外固定式擋車器是安裝在鐵路盡頭線防止車輛溜逸時撞擊車擋的安全設備，其結構簡單，造價較低，維護方便。可以用在車輛編組較小，沖擊速度不高的場合，這正是其設置在貨運線末端的原因。

[指導教師]張 霖(1989- )，男，講師，碩士，從事數值仿真研究。

運用所學“CAD/CAM”和“SolidWorks基礎”課程的知識建立了該庫外固定式擋車器的三維幾何模型，強化了使用建模工具對車輛結構繪圖和建模的技能。為保證擋車器三維幾何模型構建的準確性與靈活性，構建參考基準面和基準軸。根據所測得數據，應用Solidworks軟件將所有零部件構建好之后，將各零部件按照擋車器的實際連接情況進行裝配，以保證三維模型裝配的正確性[3]。

擋車器的三維幾何模型如圖1所示，其中庫外固定式擋車器的擋板通過兩個M20螺栓與工字型橫梁連接，兩根工字型橫梁通過七個M20螺栓與擋車器支架連接。由于螺栓是標準件，在測量時僅需要測量螺栓直徑，通過查閱《機械設計手冊》可得到該直徑下螺栓結構的詳細幾何尺寸。

圖1 擋車器三維幾何模型

圖2 擋車器有限元模型

2 接觸非線性有限元分析

基于構建的庫外固定式擋車器三維幾何模型，運用所學“材料力學”“有限元及在車輛強度中應用”和“機械優化設計”課程的知識，對該擋車器中的螺栓結構進行接觸非線性有限元分析。主要包括橫梁結構的靜強度分析，對吊座構建實體接觸模型，采用接觸對定義連接關系，計算并評估結構中橫梁和墊板連接區域的螺栓強度。

本次構建的有限元模型全部采用三維實體單元，擋車器有限元模型如圖2所示。所構建的擋車器有限元模型中三維實體單元總數為303692，其中六面體單元數為299038，占比98%，楔形單元數為4654，占比2%，單元類型均采用三維低階單元SOLID185。

圖3 螺栓接觸對模型

在模擬螺栓結構載荷傳遞時，在接觸區域創建的接觸對采用的目標單元為170，接觸單元為174，像皮膚一樣覆蓋在結構接觸區域的有限元模型上。這兩類單元非常適合面對面接觸問題，如過盈裝配接觸、進料接觸、鍛造和深拉深[4]。本次研究的方法具有較強的實踐性和普適性，是軌道車輛結構進行有限元仿真分析的一種重要方法[5]。在該擋車器有限元模型中總計9個螺栓，45個接觸對。接觸區域發生在螺母與墊板、墊板與橫梁以及橫梁與橫梁之間，如圖3所示為螺栓接觸對模型。

本次非線性有限元分析的工況為壓縮工況，主要模擬貨運列車在軌道線路末端撞擊擋車器的情況。擋車器設置在軌道線路末端，列車撞擊擋車器前已經制動并滑行一定距離，因而撞擊擋車器的沖擊載荷可以等效為水平的靜載荷[6]。壓縮工況的靜載荷為158.1 t，施加于前端墊板面上。通過調用非線性求解器，得到該工況下擋車器結構的應力云圖，圖4為擋車器結構的應力云圖。

在壓縮工況下，該擋車器結構整體的最大等效應力發生在擋車器上部擋板邊緣處，由應力云圖可知其值為651.212 MPa。通過對擋車器結構的應力云圖分析可知，該最大等效應力為局部應力，除去邊緣處的局部位置，其它位置處的等效應力均在260 MPa以下。根據GB_T699-1999《優質碳素結構鋼》，75號鋼等的屈服強度均達到880 MPa以上，而廣泛使用的45號鋼的屈服強度也達到了355 MPa。

在壓縮工況下，螺栓的最大等效應力發生在螺栓桿根部，圖5為螺栓的應力云圖，由圖可知其值為584.401 MPa。而本次計算選用的螺栓是強度等級為10.9的M20螺栓標準件，根據《機械設計手冊》可知螺栓屈服強度為900 MPa，遠大于螺栓的最大應力584.401 MPa，因而擋車器中的9個螺栓結構均滿足屈服強度要求。

圖4 擋車器結構的應力云圖

圖5 螺栓的應力云圖

3 結論

(1)通過實地測量和運用三維軟件造型的方式，綜合運用理論知識和軟件技能解決了實際問題，將實際模型轉變為可求解的數學模型，得到了庫外固定式擋車器的三維幾何模型。

(2)根據擋車器結構中載荷的傳遞路線，充分考慮擋車器螺栓之間復雜的接觸關系，對擋車器模型進行了靜強度的計算。計算結果表明：選用M20的螺栓，螺栓預緊力在15330N時，擋車器和螺栓結構的強度是符合要求的。

(3)本文將結構測量測繪、計算機建模和有限元分析三個專業技能結合，通過對原吉林日報社倉庫軌道末端的固定式擋車器進行非線性有限元分析，為擋車器的螺栓設計提供了可行方案。

[1]施董燕.城市軌道交通線路擋車器選型及技術參數研究[J].城市軌道交通研究,2012,24(10):71-74.

[2]商躍進,王紅.有限元原理與ANSYS實踐[M].北京:清華大學出版社,2012:102-110.

[3]尹忠杰.基于ANSYS接觸單元的軸承座強度分析[J].機械工程師,2016,65(10):65-67.

[4]王強龍.螺栓連接條件下結構振動模態的時頻分析方法[J].機械設計與制造,2016,72(7):72-75.

[5]蘭志文,林志鵬.預緊力變化對高強螺栓摩擦型連接板應變分布的影響[J].南昌大學學報,2017,39(1):43-49.

[6]徐海鷹.摩擦型多排高強度螺栓連接分析[J].鐵道工程學報,2011,158(11):67-69.