搜索Abaqus在鐵路機(jī)車行業(yè)CAE分析中的應(yīng)用
2017-01-20 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
鐵路是我國的主要運(yùn)輸方式,在國民經(jīng)濟(jì)中起著非常重要的作用。體力的客貨運(yùn)輸量占我國總運(yùn)量的50%,是國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展先導(dǎo)。近年來,國民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,由于以前忽視了對鐵路的投入,鐵路運(yùn)輸已經(jīng)成為制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸?，F(xiàn)在,政府正在加大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),以改變鐵路發(fā)展的落后狀態(tài)。
鐵路車輛分析中的應(yīng)用
鐵路車輛是鐵路運(yùn)輸中直接載運(yùn)旅客和貨物的工具,是鐵路中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。作為輪軌車輛的一種,鐵路車輛具有:自行導(dǎo)向、低運(yùn)行阻力、成列運(yùn)行等特點(diǎn)。由于機(jī)車沿軌道運(yùn)行,沒有獨(dú)立操縱運(yùn)行方向的機(jī)構(gòu),車與車之間需設(shè)置連接緩沖裝置進(jìn)行動(dòng)力傳遞,因此連接緩沖裝置的設(shè)計(jì)非常重要。同時(shí),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,運(yùn)輸對車輛的要求越來越高,車輛上的各種裝備貨物越來越多,因此,車輛的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)采用新的材料、工藝和結(jié)構(gòu)來降低自身重量,負(fù)載更多的貨物,而這種新的設(shè)計(jì)有必須經(jīng)過相關(guān)的強(qiáng)度剛度校核。
鐵路機(jī)車從出現(xiàn)至現(xiàn)在,由于不同目的、用途和運(yùn)用條件,車輛的結(jié)構(gòu)和類型形形色色,但總的來說,可以概括為一下五個(gè)基本部分:
車體:是容納運(yùn)輸對象的地方,是安裝和連接其他四個(gè)組成部分的基礎(chǔ)。
走行部:其介于車體和軌道之間,引導(dǎo)車輛沿著鋼軌行駛和承受來自車體以及線路的各種載荷并緩和動(dòng)作用力,是保證車輛運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵部件,也稱為轉(zhuǎn)向架。
制動(dòng)裝置:是保證列車準(zhǔn)確停車及安全運(yùn)行所必不可少的裝置。由于整個(gè)列車的慣性很大,不僅要在機(jī)車上設(shè)置制動(dòng)裝置,還必須在每輛車上設(shè)置制動(dòng)裝置。
連接緩沖裝置:車輛要成列運(yùn)行,一定要接觸連接裝置,同時(shí)還應(yīng)在每列車之間設(shè)置緩沖裝置以緩和列車的沖動(dòng)。
車輛內(nèi)部設(shè)備:是可以為運(yùn)輸對象服務(wù)而設(shè)置于車體內(nèi)的固定附屬裝置。如客車上的臥鋪,行李架等等。
行走部分析中的應(yīng)用
行走部是機(jī)車運(yùn)行中的主要部件,在行走部的設(shè)計(jì)中必須考慮以下內(nèi)容:
1.強(qiáng)度和剛度:行走部必須保證足夠的剛度和強(qiáng)度,特別是轉(zhuǎn)向架構(gòu)架對剛度的要求比較高,因?yàn)樗寝D(zhuǎn)向架的基礎(chǔ),若剛度部足,回影響各部分之間的相對位置。
2.運(yùn)行穩(wěn)定性:機(jī)車在直道上運(yùn)行時(shí),應(yīng)具有良好的橫向穩(wěn)定性,即機(jī)車達(dá)到最大速度時(shí),決不允許發(fā)生蛇行失穩(wěn)。
3.運(yùn)行平穩(wěn)性:機(jī)車的運(yùn)行平穩(wěn)性表示人所感覺到的機(jī)車運(yùn)行的品質(zhì),在平穩(wěn)性的考核中包括振動(dòng)加速度,頻率,方向和持續(xù)時(shí)間。
4.曲線通過性:機(jī)車的曲線通過性差可以引起機(jī)車的脫軌,造成輪緣與曲線軌側(cè)磨增加。
5.對線路的動(dòng)力作用:輪軌之間的正載荷一般不會(huì)造成危害,重要的是機(jī)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷回微機(jī)安全。輪對作用于線路的動(dòng)作用力隨著車速的增高而增加。
6.結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、維修量小。
轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)仿真與疲勞壽命預(yù)測
近年來的鐵路提速實(shí)踐中暴露出的問題表明,提速客車轉(zhuǎn)向架的主要安全隱患就是疲勞腐蝕引起的結(jié)構(gòu)失效,而結(jié)構(gòu)早期疲勞的發(fā)生主要原因是由于軌道車輛運(yùn)行速度的提高引起結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力劇增。結(jié)構(gòu)加速疲勞失效故障既對旅客出行造成很大的安全隱患,也會(huì)使鐵路的經(jīng)濟(jì)乃至聲譽(yù)蒙受損失。因而如何使提速機(jī)車車輛承載結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)壽命期的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)保持較高的安全可靠性,以確保鐵路客運(yùn)的安全,已成為我國鐵路可持續(xù)發(fā)展中一個(gè)引人關(guān)注的研究課題。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究構(gòu)件在各種隨時(shí)間變化的動(dòng)載荷(包括運(yùn)動(dòng)物體受到的動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)力與加速度,結(jié)構(gòu)承受的地震和沖擊波引起的加速度激勵(lì)等)作用下的應(yīng)力位移等響應(yīng)特性 。ABAQUS提供從穩(wěn)態(tài)響應(yīng)到隨機(jī)振動(dòng)的強(qiáng)大的的線性動(dòng)力學(xué)分析功能。ABAQUS提供LANCZOS特征值求解器,對大規(guī)模模型進(jìn)行快速,準(zhǔn)確的特征頻率提取,極大的提高了分析求解速度。同時(shí),在新的V6.6版本中,ABAQUS推出了新的AMS特征值求解器,已具有127,000個(gè)單位800,000自由度的白車身模型為例,提取前1000階頻率,所花時(shí)間為原來求解器的六分之一。
在分析中通過線路實(shí)測用加速度測試儀測得關(guān)注部位的加速度歷程,然后選取典型譜,以激勵(lì)的形式施加到模型上,由響應(yīng)計(jì)算得出結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)應(yīng)力,動(dòng)應(yīng)變等,然后就能夠進(jìn)一步應(yīng)用FE-SAFE疲勞分析模塊分析結(jié)構(gòu)疲勞特性。
轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度分析
機(jī)車轉(zhuǎn)向架的強(qiáng)度校核是機(jī)車設(shè)計(jì)中主要的考慮因素,也是機(jī)車CAD模型完成后進(jìn)行的頭一個(gè)分析。轉(zhuǎn)向架的受力狀況比較復(fù)雜,側(cè)向力,垂向力,縱向力等,如果對單一工況進(jìn)行分析則計(jì)算量很大,效率低下,ABAQUS提供多工況分析功能,可以在分析中,將所有的工作狀況全部求解。這樣,既可以節(jié)省分析時(shí)間、縮短研發(fā)時(shí)間,又可以提高工作效率。
以汽車底盤和車架的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析為例,采用多工況分析,將使分析時(shí)間提高至單一工況分析的十分之一。
彈簧裝置分析
行走部彈簧有兩個(gè)作用,一是給機(jī)車車軸以一定的重量分配,并使所分配的重量在車輛行經(jīng)不平線路時(shí)不致發(fā)生顯著變化;二是當(dāng)機(jī)車行經(jīng)線路部平順處或因車輪不圓而發(fā)生沖擊時(shí),其可對機(jī)車所受的沖擊具有一定的減緩作用,因此,彈簧的作用非常重要,同時(shí)也是受力比較復(fù)雜的行走部裝置。
V型彈簧三向剛度分析
V型彈簧是機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架尤其是高速客車和地鐵轉(zhuǎn)向架普遍采用的關(guān)鍵部件。其三向剛度特性對車輛的運(yùn)行品質(zhì)產(chǎn)生十分重要的影響。V型彈簧是一種“三明治”式的金屬橡膠結(jié)構(gòu),具有良好的垂向動(dòng)態(tài)性能,同時(shí)在軸箱懸掛中兼起輪對導(dǎo)向作用,以保證機(jī)車(地鐵)在通過曲線時(shí),輪對能自行進(jìn)行徑向調(diào)節(jié),在直線上又可抑制輪對的蛇行運(yùn)動(dòng),防止高速時(shí)不穩(wěn)定運(yùn)行。因此,為減小機(jī)車的動(dòng)力響應(yīng),改善結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性指標(biāo),保持曲線運(yùn)行的穩(wěn)定性,需要在轉(zhuǎn)向架上裝置v型彈簧,以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的剛度匹配。
V型彈簧由橡膠超彈性材料構(gòu)成,具有高度的材料非線性,在工作載荷作用下變形很大,應(yīng)用小變形線性理論分析無法求解。目前應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式誤差較大,已失去了實(shí)用意義。為確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu),進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),通常是先出實(shí)驗(yàn)樣機(jī),然后進(jìn)行樣品三向剛度實(shí)驗(yàn),根據(jù)樣品實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改,反復(fù)循環(huán)設(shè)計(jì)修改一樣品實(shí)驗(yàn),直到設(shè)計(jì)能滿足產(chǎn)品所需技術(shù)要求。
ABAQUS軟件具有強(qiáng)大的非線性分析功能,是橡膠材料有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件,提供了豐富的橡膠材料本構(gòu),同時(shí)還可以考慮橡膠材料的粘彈性和應(yīng)力軟化等材料行為。同時(shí),利用借助ABAQUS優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,可以對影響三向剛度因素進(jìn)行參數(shù)化處理。
空氣彈非線性有限元分析簧的
對空氣彈簧的有限元分析比較復(fù)雜,因?yàn)樯婕傲擞邢拊W(xué)分析中的各類非線性問題,具有強(qiáng)烈非線性行為的橡膠材料,彈簧的大變形等,并要對空氣彈簧中的氣體進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪M,這樣才可能得到有價(jià)值的結(jié)果。Abaqus提供相關(guān)的氣體單元可以使膠囊中的氣體進(jìn)行模擬分析。
車體分析
車體是容納運(yùn)輸對象的裝置,在整個(gè)車輛的自重中,車體所占的比例最大。在當(dāng)前車輛輕量化、高速化的趨勢中,也是所受影響最大的機(jī)車部分。采用新材料,新工藝對車體實(shí)施輕量化后必須對其強(qiáng)度剛度進(jìn)行評估,以使其在減重的同時(shí)還可以保持同樣或更高的強(qiáng)度。
同時(shí),車輛減重后不可避免地會(huì)帶來結(jié)構(gòu)振動(dòng),噪聲增加等問題,此時(shí)就要關(guān)注車體動(dòng)態(tài)特性,要對車體進(jìn)行模態(tài)分析。
利用ABAQUS的非線性求解器,可以對工作中存在大變形以及接觸問題的強(qiáng)度剛度問題進(jìn)行快速準(zhǔn)確的計(jì)算。同時(shí),對于象車體這樣的復(fù)雜的大規(guī)模模型,ABAQUS還提供了子模型分析功能。在進(jìn)行了總體分析以后,可以把自己敢興趣的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化,將總體模型中得到的載荷以及邊界條件加到子模型中,進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
ABAQUS中的Lanczos求解器可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行特征值的提取。圖為上海柴油機(jī)利用ABAQUS的模態(tài)分析功能對某直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行有限元分析并于LMS試驗(yàn)機(jī)得到的內(nèi)容相比較,由分析結(jié)果可知,有限元數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果有著很好的吻合。
鐵路軌道分析中的應(yīng)用
鐵路軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌,彈性扣件,墊層,軌枕,道床和路基等材料組成,是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。從受力角度看,軌道結(jié)構(gòu)承受的是來自機(jī)車和車輛隨機(jī)的三向動(dòng)荷載,且列車在運(yùn)動(dòng)過程中除輪軌間存在著巨大的接觸應(yīng)力外,還伴隨著蠕滑現(xiàn)象。在反復(fù)荷載的作用下,鋼軌會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷、折斷和裂紋;由于溫差的存在,無縫線路會(huì)發(fā)生失穩(wěn),引起脹軌跑道;由于線路的不平順,列車會(huì)發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)等。從材料角度看,鋼軌在輪軌接觸處,由于存在巨大的接觸應(yīng)力會(huì)發(fā)生屈服,在制動(dòng)力和曲線側(cè)向切削力的作用下又會(huì)發(fā)生損傷;作為道床組成材料的石碴,是散體材料,連續(xù)介質(zhì)分析方法難以得到正確的結(jié)果。這一切都說明,傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)分析方法,不能適應(yīng)現(xiàn)代鐵路軌道結(jié)構(gòu)的需要。七十年代以來,由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法越來越廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)際中,使工程中的大量復(fù)雜問題的求解成為可能。
輪軌相互接觸應(yīng)力的分析
沿鋼軌滾動(dòng)的車輪,除了引起鋼軌的彎曲應(yīng)力外,還在輪軌接觸點(diǎn)處引起局部的接觸應(yīng)力。當(dāng)車輪的輪箍壓在鋼軌踏面的時(shí)候,二者之間的受壓面積很小,出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中,產(chǎn)生大大超過材料屈服點(diǎn)的接觸應(yīng)力,引起頭部的壓潰,材料流動(dòng)或形成高低不平的波浪形軌面,而材料較脆的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生頭部劈裂和其他種類的鋼軌損傷。
ABAQUS具有強(qiáng)大的接觸模擬功能,可以模擬變形體與變形體、剛體與變形體以及變形體自身的接觸。此外,ABAQUS還提供了從有限滑動(dòng)到小滑動(dòng)的各種類型的接觸模擬功能。針對工業(yè)中應(yīng)用較多的過盈配合,大滑動(dòng),墊片接觸等現(xiàn)象,ABAQUS提供了豐富而強(qiáng)大的功能進(jìn)行處理。此外,在接觸問題的收斂性和精確度方面,ABAQUS提供了強(qiáng)大的功能,新推出的SURFACE-TO-SURFACE的接觸功能,可以準(zhǔn)確而快速的模擬各種接觸問題。
輪軌動(dòng)力學(xué)分析
隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,鐵路客貨運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)日益繁重。新型機(jī)車車輛的設(shè)計(jì),制造和線路維護(hù)都需要預(yù)知輪軌之間的動(dòng)力學(xué)性能特性,將車輛與軌道的模型一起綜合考慮分析。
當(dāng)列車以一定速度通過軌道時(shí),車輛和軌道都有在空間各個(gè)方面產(chǎn)生振動(dòng),其原因是多方面的,如:機(jī)車動(dòng)力作用,速度的影響,軌道的不平順,車輛安裝的偏心等,因此情況較為復(fù)雜。而所以的這些振動(dòng)都可能回對列車的平穩(wěn)性產(chǎn)生影響。
利用ABAQUS的線性動(dòng)力學(xué)分析功能,可以對軌道結(jié)構(gòu)的空間自有振動(dòng),以及在各種支撐條件下的固有頻率和固有振動(dòng)特性,結(jié)合車輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,對軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的評估。
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