新西兰机车发运吊具结构的有限元数值模拟研究

摘 要：基于有限元分析软件I-DEAS，建立了新西兰机车发运吊具和吊销的几何模型，并对其进行网格划分，施加约束和载荷并进行计算，分析吊具和吊销在机车整车吊装的变形和应力，并根据技术要求进行强度校核。计算分析结果表明，机车吊具和吊销的强度满足要求，性能可靠。

关键词：机车；吊具；强度；有限元

中图分类号：TP391.72

机车在发运吊装过程中，吊具结构是否具有足够的强度以满足吊装的要求非常重要。吊具在吊装机车过程中主要由发运吊具和车体吊销以及吊车用钢丝绳共同作用实现吊装。机车吊具、吊销的强度决定了吊装过程是否安全。本次分析了新西兰机车发运吊具的强度以满足其发运吊装的要求。

1 机车发运吊具概况

本次分析计算的机车发运吊具主要由横向撑杆和纵向撑杆组装而成。横向撑杆由L50×50×6和L36×36×5的角钢和钢板焊接而成；纵向撑杆由L70×70×8和L36×36×5的角钢和钢板焊接而成，材质均为Q235-A。车体吊销的为圆柱型，吊装时安装在车体底架的吊装位置，材质为45号钢。

机车发运吊具和车体吊销应能达到如下所述的安全系数。（1）在108t载荷作用下，机车发运吊具的安全系数不小于1.8；（2）在27t载荷作用下，车体吊销销体的安全系数不小于1.6。

表1列出了机车发运吊具及吊销材料的基本力学特性：

表1 材料的屈服极限和许用应力

材料 部件 屈服极限MPa 许用应力MPa

Q-235 机车发运吊具 235 131（s=1.8）

45号钢 吊销 355 222（s=1.6）

2 吊具及吊销模型

本文选用大型通用的集CAD/CAE/CAM于一体的软件I-DEAS进行吊具和吊销模型的建立以及有限元强度分析。

2.1 吊具模型

由于吊具的横向和纵向撑杆主要由不同型号的角钢和厚板焊接而成，在有限元仿真模拟时主要采用壳单元进行模拟，所以几何建模时对于角钢建立的几何模型是面，厚板建立的几何模型是体。对撑杆分别建立几何模型然后组装在一起，撑杆的几何模型如图1-4所示。

图1 横向撑杆（一）几何模型 图2 横向撑杆（二）几何模型

图3 纵向撑杆（一）几何模型 图4 纵向撑杆（二）几何模型

由于吊具具有纵向及横向两个对称面，并且所受的载荷也是对称的，因此取1/4结构进行有限元分析。采用壳单元和四面体单元进行结构离散，共划分111314个单元和70349个节点，网格划分如图5所示。

图5 1/4机车发运吊具有限元网格

由其结构特点和力学性质可得：当取1/4结构进行有限元分析计算时，约束施加在吊具结构的对称面上。

2.2 吊销模型

车体吊销安装在车体底架相应的吊装位置，用来吊装机车车辆。所以取出底架侧梁吊装的相应位置和吊销进行接触模拟，具体几何模型及有限元模型如图6、7所示：

图6 车体吊销结构简图 图7 车体吊销和底架装配有限元网格

载荷27t作用在钢丝绳与其接触的位置；吊销销体与底架的接触处设置接触约束；在底架侧梁取出的部分边界设置固定约束。

3 应力计算结果分析

3.1 吊具应力分析

经过有限元分析计算，机车发运吊具节点节点的最大Mises应力为129MPa，发生在端板与纵支承槽钢的交接处，小于材料的许用应力131 MPa，节点的Mises应力分布如图8、9示。

图8机车发运吊具节点Mises应力云图 图9 机车发运吊具局部应力最大点Mises应力云图

3.2 吊销应力分析

车体吊销节点最大Mises应力为220MPa，发生在吊销体与底架侧梁接触处，小于材料的许用应力221 MPa，节点的Mises应力分布如图所示。

图10车体吊销节点Mises应力云图

4 结束语

在机车发运吊具设计时，采用计算机仿真模拟的方法进行强度分析，可以减少设计成本和时间提高效率。由于在实际机车发运吊装中，吊销和吊具在检测时有裂纹出现，所以采用有限元强度分析可以及时发现设计中的不足，并方便改进设计方案，避免和减少在机车吊装试验中出现失误的几率。对于已有吊具，当载重增加时强度是否满足要求，能否保证吊装安全，也可以采用这种方法来实现强度的校核。

本文运用I-DEAS有限元分析软件对新西兰机车发运吊具和吊销进行了有限元强度分析，分析结果表明在吊装时其应力均小于许用应力，强度满足要求，性能可靠。可以为以后的机车发运吊具设计提供参考。

参考文献：

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作者简介：王玉艳（1977-），女，黑龙江鸡西人，讲师，硕士，研究方向：机车车辆结构强度分析。

作者单位：大连交通大学车辆教研室，辽宁大连 116028

基金项目：辽宁省教育厅项目（项目编号：L2012164）。