基于SolidWorks Simulation的定位管支撐本體靜態及疲勞分析研究

田樂

（中鐵高鐵電氣裝備股份有限公司，陜西寶雞 721013）

0 引言

柔性接觸網系統是電氣化鐵路的一個重要組成部分[1]。該系統利用各種結構件在鐵路上空架設一條特殊形式輸電線路，行駛在鐵軌上的機車通過受電弓抬升接觸帶電的接觸線為機車供電。這就要求柔性接觸網具有彈性好、弓網接觸良好、接觸線受流質量高、造價低廉、安全性高等特點，使之適用于較高速度行車工況[2]。

常見的柔性接觸網由腕臂裝置、門型橫跨裝置、中心錨結裝置、懸吊裝置、電連接裝置、下錨裝置等組成，其中腕臂裝置與支柱構成支架作為主要的承力裝置[3]。腕臂裝置主要由平腕臂、斜腕臂、腕臂連接器、承力索座、定位管支撐、支撐連接器等組成，諸如定位管支撐之類的支撐性零件，在工作中長期承受交變載荷，因此除了需要考慮靜態強度因素外，疲勞分析結果也是該類零件運行狀態及使用壽命的重要參考依據[4]。疲勞分析在試驗中耗材耗時，而使用有限元分析可以節省材料成本和試驗時間成本，本文針對定位管支撐類零件本體進行靜應力分析和疲勞分析。

由于定位管支撐在腕臂裝置中主要對定位管起支撐作用，而定位管端頭又通過定位器和定位線夾與接觸線相連，接觸線在工作時受到的外部載荷多為循環往復的交變載荷，該載荷通過線夾、定位器傳遞給定位管和定位管支撐。但目前仿真力學分析在靜力學校核方面比較多，分析的工況多為靜止狀態，疲勞狀態方面的比較少[5]。綜合以上原因，有必要對受力比較復雜的定位管支撐進行疲勞分析的研究。

圖1 接觸網腕臂裝置示意圖

1 軸向拉載荷靜力學分析

1.1 有限元模型建立

定位管支撐由定位管支撐本體和端頭焊接的連接構件組成，由于本文并未涉及焊接部分的力學性能分析，所以將焊接假設為剛性連接，所以只選取其中定位管支撐本體作為研究對象。定位管支撐本體的材質為20鋼，經過查找，20鋼在SolidWorks材料庫中相當于ASME中1020鋼。其材料性能參數如表1所示。

表1 1020鋼材料力學性能參數

在SolidWorks中建立管徑為48 mm、壁厚為3.5 mm、長度為484 mm的定位管支撐鋼管幾何模型。并將1020鋼材料賦予管體。

由于定位管支撐鋼管端頭與連接件采用焊接連接，而連接件與其余部件通過螺栓、抱箍緊固連接，故對其端頭采用固定約束。在端頭截取需要固定的曲面區域，施加固定約束，如圖2所示。

對定位管支撐軸向加載5、15、50、100、120 kN的軸向載荷，如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.2 應力結果分析

在結構幾何模型建立、材料參數設置、約束定義、載荷添加、網格劃分全部完成后，即對定位管支撐本體靜力學模型使用帶有p-自適應方法調整的FFEplus算法進行求解。求解得出其應力云圖如圖3所示。

圖3 軸向加載靜應力分析應力云圖

從云圖中可以看出，高應力區主要集中在固定端，由于固定端處的約束對軸向拉載荷的抵抗，所以產生了較高的應力值，結果和設計經驗是相符的。如圖4所示，提取5個加載載荷下對應的最高應力值，隨著加載力的增加，最大應力逐漸增大，但是前4個加載載荷下的最大應力都未達到1020鋼的屈服極限（351.6 MPa），直到加載載荷增大為120 MPa時，最大應力值達到483.7 MPa，超過了1020鋼的屈服極限，云圖中有部分區域材料進入屈服狀態。

圖4 軸向加載加載力-屈服值曲線

軸向拉載荷靜力學分析說明，本體材料為1020鋼、直徑為48 mm、壁厚為3.5 mm、長度為484 mm的定位管支撐本體工作在低于100 kN軸向拉載荷作用下，是安全的，而在相應的設計標準中，工作載荷是遠遠小于100 kN的，所以單純的軸向拉載荷并不是定位管支撐本體失效的危險因素。

2 雙向正交載荷靜力學分析

2.1 有限元模型建立

根據實際工作情況，定位管支撐本體不僅受到軸向拉載荷，還受到斜向載荷，對該斜向載荷正交化，修正上一節中軸向拉載荷的有限元模型，對鋼管管頭施加沿軸向加載5 kN載荷，沿切向加載5 kN載荷，加載情況如圖5所示。

圖5 端面正交加載修正

2.2 應力結果分析

在有限元模型修正完成后，對定位管支撐本體靜力學模型使用帶有p-自適應方法調整的FFEplus算法進行求解。求解得出的應力云圖如圖6所示。

圖6 正交加載靜應力分析應力云圖

從應力云圖可以直觀地看到，單純的軸向拉載荷，零件產生了垂直于軸向的撓度，并且位于零件固定端軸向，以及沿鋼管軸向從固定端到終點坐標處的綠色、黃色、紅色區域的材料已經進入屈服階段，最高應力達601.2 MPa。

雙向正交載荷靜力學分析說明，本體材料為1020鋼、直徑為48 mm、壁厚為3.5 mm、長度為484 mm的定位管支撐本體工作在5 kN軸向靜載荷和5 kN切向靜載荷作用下，已經出現了屈服區域，如果處于工作狀態中，不僅受到正交靜載荷的作用，還會受到周而復始的交變載荷的加載，此時定位管支撐本體疲勞分析顯得尤為重要。

3 雙向載荷疲勞分析

3.1 S-N曲線參數設置

由于1020鋼屬于低碳鋼，根據ASME碳鋼曲線及材料彈性模量，獲得S-N曲線?；陔p對數法對S-N曲線進行插值。

3.2 應力循環設置

定義分析事件類型為指定的恒定循環；定位管支撐本體一端固定，另一端承受5 kN軸向靜載荷和5 kN切向靜載荷；添加事件中設定循環次數為1000，負載類型設置為2組，第1組LR＝0，第2組LR＝-1。相關聯的事件為上述已經分析過的靜態分析；定義計算交替應力手段為對等應力（von Mises）。

3.3 結果分析

在各項設置完成后，即對定位管支撐本體在此條件下進行求解。求解得出其在LR=0和LR=-1的負載類型下生命周期云圖，如圖7所示。

從圖7中可以看到，定位管支撐本體在LR=0加載情況時，最低生命總數可以達到6009個加載周期，且低生命總數區域分布較少；而定位管支撐本體在LR=-1加載情況時，最低生命總數只有780.8個加載周期，且低生命總數區域分布較多。所以定位管支撐本體在LR=0加載情況下的疲勞結果要優于LR=-1加載情況的。雖然在LR=0和LR=-1兩種加載情況下疲勞結果有較大的差異，但是兩種加載情況下低生命總數區域都包含了定位管支撐本體的固定區域，有必要對該區域進行進一步的分析。

圖7 疲勞分析生命周期云圖

對定位管支撐本體固定區域的疲勞數據進行處理。圖8是在LR=0和LR=-1兩種加載情況下定位管支撐本體固定區域周向的疲勞數據，從圖中可以看到，沿著定位管支撐本體的固定區域周向，兩種加載情況下生命周期總數都出現先增大、后減小、再增大、再減小的循環往復的趨勢，結合正交加載靜應力云圖分析，曲線中生命周期總數低值出現在定位管本體彎曲變形的上、下面，而生命周期總數高值出現在兩個側面。這種結果說明，此種工況下交變載荷對周向的影響并不均勻，主要對定位管支撐本體的上、下面有重要影響。圖中LR=-1加載情況的曲線包含在LR=0加載情況的曲線以內，說明沿定位管支撐本體固定區域周向方向LR=-1 加載情況造成的疲勞比LR=0加載情況的更嚴重。

圖8 固定區域周向疲勞結果曲線

4 結語

本文在SolidWorks中建立了定位管支撐本體的三維模型，在Simulation中設置相關參數、劃分網格建立定位管支撐本體的有限元模型。首先對定位管支撐本體軸向加載5、10、50、100、120 kN，進行靜態應力有限元分析后發現，在單純的軸向載荷作用下，定位管支撐本體可以承受較大的軸向載荷，直到120 kN才出現屈服區域。隨后對定位管支撐本體端面加載了正交載荷，軸向加載5 kN，切向加載5 kN，靜應力分析后發現，定位管支撐本體沿軸向和固定端軸向出現了屈服區域。出現屈服后，在交變載荷下，容易陷入低周疲勞。遂基于ASME碳鋼機制定義材料疲勞曲線（S-N曲線），分別施加LR=0和LR=-1載荷情況，對定位管支撐本體進行了疲勞分析，得出了在LR=0和LR=-1載荷情況下定位管支撐本體的生命周期等相關數據。數據顯示定位管支撐本體在LR=0加載情況下的疲勞結果要優于在LR=-1加載情況，疲勞區域的分布形式受正交載荷下應力區域分布的影響，此種工況下交變載荷對周向的影響并不均勻，主要對定位管支撐本體的上下面有重要影響，沿軸向反向，疲勞生命周期出現了先增大、后減小、再增大、再減小的循環往復的現象。該分析在對以后進行其他同類型管類支撐件的設計和可靠性分析有一定的參考價值。

柔性接觸網系統是一個比較復雜的系統，腕臂裝置上零構件也比較多，一般采用試驗的方法對零構件驗證，對于有限元仿真分析目前尚少，所以本文僅從腕臂裝置中選取一種零件進行了多種加載靜應力分析和疲勞分析，進而簡化了連接處的一些復雜接觸特性，希望在以后的研究中可以逐漸補充。