有限元数值模拟方法在香港机车发运吊具结构强度分析中的应用

2014-10-21王玉艳孙丽萍

计算机光盘软件与应用 2014年24期

王玉艳　孙丽萍

摘要：机车在发运过程需要吊装，机车发运吊具的强度决定了吊装的安全性。本文依据有限元分析软件I-DEAS，采用有限元数值模拟的方法，分析了香港机车发运吊架和车体吊销的强度和刚度，并校核了钢丝绳的强度。计算分析结果表明，机车发运吊具结构的强度满足要求，性能可靠。

关键词：机车；吊具；强度；有限元

中图分类号：TP391.77

机车发运吊装时，吊车一端吊起钢丝绳，钢丝绳通过机车吊架的支撑吊起安装在底架的吊销，来实现机车的吊装。机车发运吊具必须具有足够的强度才能保证机车吊装时的安全。

本文分析了香港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机车吊架、车体吊销和钢丝绳组成。机车吊架主要由材质均为Q235-A的横向和纵向撑杆组装而成。纵向撑杆主要由L100×100×8和L50×50×5的角钢焊接而成；横向撑杆主要由L100×100×8和L50×50×5的角钢焊接而成。车体吊销为圆柱形，材质为45号钢。钢丝绳型号为6×19+FC-φ40，查国家标准钢丝绳规格（GB/T 20118-2006）得到此钢丝绳的型号见表1。

机车吊具在载荷作用下应能达到如下所述的安全系数：车体吊架的安全系数不小于2.2，σs=107MPa；车体吊销的安全系数不小于2.5，σs=142MPa；车体吊钢丝绳的安全系数不小于5。

2 机车发运吊具模型

2.1 几何模型建立

本次计算使用的程序是NX I-DEAS 5.0。该软件集CAD与CAE成一体，建模效率高，求解迅速，后处理功能强大。

在有限元数值模拟计算中用的几何模型和实际结构是有区别的，是经过简化的符合计算要求的模型。在有限元分析中薄板主要采用二维壳单元模拟，形状复杂和厚板结构采用三维体单元模拟，所以在几何建模时采用面和体结合的建模方法。具体几何模型及装配见图1～5。

2.2 有限元模型

由于机车吊架基于纵向中心面对称，并且所受的载荷也是对称的，因此取1/2结构进行有限元分析。采用四节点四面体单元和壳单元进行结构离散，共划分379073个单元和212687个节点。由其结构特点和力学性质可得：当取1/2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；载荷施加的大小为11.895t。

车体吊销采用六面体单元进行模拟，共划分87600节点76080单元，载荷18.75t分别作用在钢丝绳与其接触的位置；在吊销销体的相应位置设置轴向约束。吊销有限元网格划分，如图7所示：

3 机车吊具有限元强度分析

3.1 机车吊架应力分析

经过有限元分析计算，机车发运吊架节点的最大位移为1.59mm，节点的最大Mises应力为94.7MPa，发生在端板与纵支承槽钢的交接处。实际安全系数为235/94.7=2.48，大于设计要求的2.2，即小于材料的许用应力107 MPa，节点的Mises应力分布如图8、9所示。

3.2 吊销应力分析

经过有限元分析计算，车体吊销节点的最大位移为0.127mm，节点位移分布如图10所示；最大Mises应力为112MPa，发生在吊销体与底架侧梁接触处。实际安全系数为355/112=3.17，大于设计要求的2.5，即小于材料的许用应力142MPa，节点的Mises应力分布如图11所示。

4 车体吊钢丝绳强度校核

车体吊钢丝绳的型号为6×37+FC-φ48，由表1得钢丝绳破断拉力总和不小于1423.9kN，钢丝绳的安全系数为K=5，钢丝绳的许用拉力為：

钢丝绳的许用拉力=钢丝绳破断拉力总和/K=1423.9kN/5=284.8kN

用四根钢丝绳吊75t重的机车，每根绳长13.5米，联接机车端钢丝绳承受的拉力为F1，联接吊车端由结构特点得所承受的拉力F2：

F1=75×9.8/4=183.75kN

按力的分析得出联接吊车端承受的拉力F2为213.13kN，大于F1，小于钢丝绳的许用拉力284.8kN。