基于ANSYS Workbench的接觸網作業梯車結構優化及輕量化研究

李穩迪，施偉辰

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基于ANSYS Workbench的接觸網作業梯車結構優化及輕量化研究

李穩迪，施偉辰

（上海海事大學，上海 201306）

文章通過三維軟件SolidWorks建立了接觸網作業梯車模型，導入到有限元軟件ANSYS Workbench中分別進行了靜力學、模態和線性屈曲分析，得到其應力應變分布規律、固有頻率和振型大小以及屈曲穩定性，并在此基礎上對該梯車模型的關鍵部位作了優化，降低整體質量，從而達到輕量化的目的。

接觸網梯車；ANSYS；有限元分析；結構優化；輕量化

引言

蒸汽牽引、內燃牽引和電力牽引是目前我國鐵路運輸牽引動力的三種形式。其中，以電力牽引為主要牽引方式的干線鐵路被稱為電氣化鐵路。1961年8月15日寶成鐵路寶雞—鳳州段的通車，標志著中國第一條電氣化鐵路的勝利建成[1]。改革開放40年來，隨著我國社會經濟的不斷發展，電氣化鐵路也取得了巨大的成就，不僅在總里程上躍升世界前列，而且在技術水平和施工質量方面均已達到世界先進水平。接觸網作業梯車作為電氣化鐵路接觸網日常維護、檢修、事故搶修和電氣化鐵路施工的重要工具，其運行和作業的安全不僅與車輛本身有關，而且還影響整個線路的正常運行，因此保障接觸網作業梯車的安全穩定運行是維護電氣化鐵路正常運行的重中之重。

1 接觸網梯車的靜力學分析

1.1 三維實體模型的建立

利用SolidWorks軟件創建接觸網工作梯車的三維實體模型，如圖1所示。該梯車結構包括由兩根橫梁、兩根縱梁和四個車輪組成的四邊形底盤、四根側支撐桿、四根主桿以及沿主桿兩側平均分布的十四根踏桿和安裝在主桿頂部的工作臺。梯車底盤長2416㎜，寬1435毫米，工作臺高度距離軌面4482㎜。

圖1 梯車模型

接著，將建立好的接觸網作業梯車三維實體模型保存為IGS格式，導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，研究其應力、應變分布規律。

1.2 有限元模型的建立

傳統的接觸網作業梯車采用鋼材質，整體質量重，不易搬運。與鋼材相比，鋁合金材料具有自重輕、耐腐蝕、強度范圍廣等優點，但由于彈性模量太小，其結構和構件的變形和穩定問題也會更突出，故梯腿、踏桿部分采用鋁合金材料，而主要受力部件如工作臺、底盤部分的材質則保持不變。參數信息如表1所示。

實體單元可以準確地模擬梯身桿件接頭處的應力分布，還能滿足對梯車實際工作狀態精確模擬的要求。因此，為了提高計算結果的精確度，減小誤差，使用三維實體單元Solid186進行有限元建模。網格大小設為30㎜，共劃分單元225205個，節點574710個。

表1 材料參數

1.3 載荷施加

接觸網作業梯車模型中的主要約束問題是底架車輪的處理。選中輪轂部分，約束其所有6個自由度。

根據接觸網梯車實際作業時的情況，考慮工作臺踏板所受的最大集中載荷為2000N，方向豎直向下。其自重通過定義豎直向下的重力加速度自動得到。

1.4 計算結果

通過計算得到，該梯車結構在靜載作用下的應力分布和變形情況分別如圖2、3所示。

圖2 應力云圖

圖3 變形云圖

最大等效應力發生在工作臺側部連接桿下端的螺栓頭位置，大小為169.49Mpa，即

其中，1.5為安全系數。因此該梯車結構的強度是完全滿足要求的，并且還有一定的優化空間。

2 模態分析

通過模態分析可以計算出梯車的固有頻率和固有振型，使各主要部件盡可能避開外界激擾產生的頻率范圍，并充分考慮各階模態所帶來的影響，從而保證梯車具有良好的運行穩定性[2]。由于靜力學分析過程中對底盤車輪添加了固定約束，所以本章研究的模態為約束模態。表2為提取的前十階固有頻率，圖4是四個典型的振型圖。

表2 梯車結構前十階固有頻率

人在工作臺上行走會對梯車結構產生振動激勵。經調查，行人的正常行走步頻介于1.6Hz（慢走）和2.4Hz（快走）之間[3]，第一階固有頻率為4.0159Hz，高于外界激勵頻率，所以不會發生明顯的共振現象。

通過模態分析的結果可以看出，梯車的固有頻率比較低。前四階振型為整體振型，變形量不是很大。但從第五階起局部振幅開始增大，最大變形量也突增，這表明該梯車結構局部強度較低，所以有必要對其上、下四個側支撐桿壁厚進行重新設計。

3 接觸網梯車的屈曲分析

本章采用線性屈曲分析方法，得到其臨界載荷系數和屈曲振型，驗證結構的穩定性及容易發生失穩的區域，最終得出梯車的優化方案。提取前十階的臨界載荷系數和模態振型，如表3所示。

表3 屈曲分析前十階臨界載荷系數

梯車結構的屈曲振型圖如圖5所示。可以看出，前八階屈曲變形都是發生在梯車各主桿位置處，且均為局部變形。由表5-1，得出其臨界失穩載荷為115197N，遠遠大于所施加的初始載荷，說明梯車結構的穩定性較好，不會發生整體失穩，即梯車首先是因強度不足導致的破壞。于是在對薄弱部位進行優化時通過適當加大壁厚就可以明顯改善。

4 優化設計

4.1 優化設計方案的提出

根據梯車的結構特點及其受力特點，同時考慮到整體重量以及工藝上實現的可能性，針對薄弱環節，提出下列優化方案：

梯車上、下部分四根側支撐桿的壁厚增加1㎜；

梯身各主桿的壁厚增加1㎜。

4.2 優化后的梯車結構靜力學分析

根據ANSYS Workbench中靜力學分析步驟，對優化后的梯車結構進行了靜強度分析，分別得到其應力、應變云圖，如圖6、7所示。并與原結構做了對比，如表4。

圖6 應力云圖

圖7 變形云圖

表4 優化后的梯車結構與原結構比較

通過優化設計，使得梯車結構的質量由原來的260.19kg變為191.46kg，減少了26%；最大應力值由原來的169.49MPa變為136.11MPa，減少了20%；最大變形量值由原來的1.1019mm變為1.0751mm，減少了2.4%。由此可知，優化后的梯車結構質量得到了減輕，并且其力學性能也有所改善。

4.3 優化后的梯車結構屈曲分析

表5 優化后的梯車結構屈曲分析前十階臨界載荷系數

通過對接觸網作業梯車結構的優化設計，各支撐桿及其連接的螺栓大小均有所改變，其穩定性也必將發生變化。一旦失穩，即使受到一個非常小的外力作用，都有可能造成整個結構的破壞。

因此在滿足靜強度和靜剛度的前提下，還需要對新模型進行屈曲分析，以驗證優化后梯車結構的整體穩定性。結構的前十階臨界載荷系數和模態振型，如表5所示。并與原結構的臨界載荷系數做了對比，如圖8。

由上圖可知，優化后的梯車結構與原結構相比，臨界載荷系數增加了57%左右，證明該結構的抗屈曲能力更強。

5 總結

通過對接觸網作業梯車的實際工作狀態分別進行了靜力學、模態和線性屈曲分析，得到其應力應變分布規律、固有頻率和振型大小以及屈曲穩定性，確定結構中各主桿以及側支撐桿為薄弱環節，需要進一步改進。

根據接觸網作業梯車的結構特點及其受力特點，對關鍵部位做了優化并進行了驗證。發現優化后的梯車結構不僅在外觀質量上由原來的260.19kg變為191.46kg，減少了26%；最大應力值和最大變形量也分別減少了20%和2.4%，其抵抗強度破壞和彎曲變形的能力均得到改善。

[1] 江凡.我國電氣化鐵路建設的回顧[J].鐵道工程學報,1992,9(1): 17-23.

[2] 楊偉東.CRH2-300型動車組構架結構建模與動力學分析[D].沈陽:東北大學,2010.

[3] 孫利民,閆興飛.人行橋人行激勵振動及設計方法[J].同濟大學學報（自然科學版）,2004,32(8): 996-999.

Structure optimization and lightweight research of the overhead contact line ladder carbased on ANSYS Workbench

Li Wendi, Shi Weichen

( Shanghai Maritime University, Shanghai 201306 )

In this paper, the contact network ladder car model, which established by the three-dimensional software SolidWorks, is imported into ANSYS Workbench to analyze its statics, modes, buckling, and obtained the distribution of stress and strain, natural frequency and mode size, and buckling stability. Based on these results, the key parts are re-optimized so as to realize the purpose of lightweight.

the contact network ladder car; ANSYS; finite element analysis; structural optimization; lightweight

A

1671-7988(2018)16-67-04

U463.32

A

1671-7988(2018)16-67-04

CLC NO.:U463.32

李穩迪，就讀于上海海事大學。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.024