钩舌结构分析及优化设计

2010-08-08李晓峰刘敬刚

铁道机车车辆 2010年1期

李晓峰,刘敬刚,王文

(1 大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;2 中国北车集团公司齐齐哈尔铁路车辆有限责任公司产品开发部,黑龙江齐齐哈尔161002)

车钩是连接铁路机车与车辆及车辆之间的关键部件,它直接关系到列车的运行安全和可靠性。随着我国铁路运输不断向高速和重载方向发展,列车的纵向冲击力急剧增加,车钩钩舌接触面摩擦磨损严重,钩舌的性能已越来越难以满足现代铁路的要求[1],严重影响到铁路运输的安全和效益,因此,有必要对钩舌进行优化设计,以提高其结构强度。本文以F51AE型车钩钩舌为研究对象,首先运用ANSYS软件对钩舌进行有限元分析,在此基础上以 Hypermesh/Optistruct为拓扑优化平台对钩舌进行拓扑优化设计。

1 钩舌的弹塑性分析

1.1 算法原理[2]

弹塑性本构计算可归纳为下列步骤:

对于给定的应变增量矢量

(1)假设全部是弹性应变增量,计算相应的应力增量;

(2)检查本步开始时应力状态是否满足屈服准则。如果没有满足,则采用比例因子调整应力的大小,使其满足,要保证应力在屈服面之中或在屈服面上;

(3)检查增量结束时的应力状态,确定应力增量中弹性和弹塑性的成分;

(4)寻找塑性应变增量和本构矩阵屈服面的法线;

(5)得到法线后,可获得等效塑性应变增量。因为工作硬化斜率取决于总的等效塑性应变,需要迭代求解得到,最大允许迭代步数为5步;

(6)计算弹塑性本构关系;

(7)计算塑性应变增量、应力增量;(8)更新应力、应变。

1.2 钩舌有限元模型

通过三维实体造型软件NX I—DEAS创建钩舌实体模型(参见图1),然后导入H ypermesh中划分网格。采用SOLID45四面体单元离散钩舌实体,钩舌有限元模型的单元总数为141 526,节点总数为31 076,有限元模型如图2所示。钩舌材料为TB/T2942《铁路用铸钢件采购与验收技术条件》E级铸钢。

钩舌在工作中承受牵引载荷和压缩载荷的作用,牵引力大小为1 225 kN,方向平行于钩舌的纵向中心线,指向钩舌外部作用。钩舌受拉时,主要由钩舌的牵引凸缘承受拉力,护销凸缘和钩舌销不受拉力,由于钩舌内腕面所受拉力对销孔处的弯矩作用,护销凸缘和销孔内壁受法向约束。另外,牵引凸台受纵向约束,钩舌尾部止挡受横向约束;压缩载荷大小为1 400 kN,方向平行于钩舌的纵向中心线,指向钩舌内部,当钩舌受压时,主要是钩腕外侧受压应力,然后通过钩舌受压推台传递给钩体,钩舌的载荷和位移约束的示意图参见图3。

1.3 弹塑性分析结果

牵引载荷作用下,钩舌的应力云图如图4所示,由图可以看出最大主应力位于钩舌内侧圆弧表面,超过E级钢材料的屈服极限(690 MPa),这与实际钩舌表面出现鳞片状脱落的破坏情况一致(图5);压缩载荷作用下,钩舌的应力云图如图6所示。由图可以看出最大等效应力出现在钩舌的内腕面两端及冲动台曲面上。

2 钩舌拓扑优化设计

2.1 拓扑优化算法原理

图2 钩舌有限元模型

图3 载荷工况及约束示意

图4 牵引载荷作用下钩舌的Von.Mises应力云图

图5 钩舌内侧表面的鳞片状裂纹

变密度法是结构拓扑优化中常用的一种方法,其基本思想是引入一种假想的密度可变材料,材料的密度在0～1之间是可变的,将结构体离散为有限元模型后,赋予结构中每个有限元初始相同的密度,并以每个单元的密度为设计变量。当单元的密度为零时,表示该单元无材料,单元应当删除(孔洞);当单元的密度为 1时,则表示该单元有材料,保留或增加单元。优化时以材料密度为拓扑设计变量,使结果拓扑优化问题转化为材料的最优分布问题。

变密度法拓扑优化设计的目标一般是结构变形能最小化,等效于刚度最大化。考虑材料体积约束和结构的平衡,拓扑优化的数学模型为:

式中C为结构变形能;F为结构外载荷矢量;D为结构位移矢量:f为剩余材料百分比;V为结构充满材料的体积;V0为结构设计域的体积;V1为单元密度小于材料的体积;X min为单元密度的下限;X max为单元密度的上限;xi为单元设计变量;K为结构刚度矩阵。

在原结构基础上,以满足设计强度为前提,同时降低结构的总重[3],对钩舌结构进行拓扑优化设计。钩舌采用变密度法拓扑优化的有限元模型如图7所示,图中蓝色区域为设计区域,其余为非设计区域。依据设计要求,对钩舌施加牵引、压缩两种作用载荷见图3。拓扑优化分析时,以钩舌变形能最小为目标,材料体积减少40%为约束条件,设计区域中单元的伪密度为设计变量。