基于ANSYS的货物支撑装置应力接触分析

韩金刚 杨诗卫 杨艳萍 王爱民

(中车眉山车辆有限公司产品开发部 四川 眉山 620010)

基于ANSYS的货物支撑装置应力接触分析

韩金刚 杨诗卫 杨艳萍 王爱民

(中车眉山车辆有限公司产品开发部 四川 眉山 620010)

采用ANSYS软件对一种棚车用货物支撑装置进行了应力接触分析，分析结果表明，该结构强度储备不够充足，还需进一步进行优化设计。

货物支撑装置；接触分析；ANSYS；应力

在实际工程中，许多结构表现出一种与状态相关的非线性行为，接触问题就是其中的一种[1]。当2个分离的表面相互碰触并互切时，就称它们处于接触状态[2]。铁路货车零部件承载中具有大量的接触问题，如车体上心盘与转向架下心盘间的接触、货物支撑装置间的接触等。ANSYS软件可以通过建立在接触面上的接触单元与接触物体连接，建立接触系统整体平衡方程，较好地解决接触问题。ANSYS支持3种接触方式，即点-点，点-面，面-面，每种接触方式使用不同的接触单元，并适用于某一特定类型的接触问题。本文采用ANSYS 12.1 分析某型棚车用货物支撑装置的应力，以了解该装置的运用可靠性，解决运用中存在的问题。

1 结构概述

货物支撑装置由托盘座和底座组成(见图1)。托盘座由型钢和板材组焊而成，底座由5 mm厚的钢板制成。托盘座与底座通过托盘座上的挂钩挂于底座的开孔处(两者配合时存在4 mm的间隙)，货物置于托盘座上，垂向载荷通过托盘座与底座间的弹性接触进行传递。实际运用过程中，底座或托盘座时常发生撕裂，如图2所示，该结构存在较大的运用安全隐患，因此有必要对结构进行可靠性研究与分析。

图1 货物支撑装置几何模型

图2 实际运用状态

2 结构理论受力分析

结构的理论受力分析如图3所示，由于底座与托盘存在4 mm的装配间隙，在托盘座受垂向载荷作用时，托盘座会绕车体发生横向转动，从而使面-面接触转变为线-面接触，这样就极易在底座与托盘座接触处产生应力集中现象，削弱结构强度储备的同时，也存在破坏结构的极大可能。

图3 结构受力分析

3 建立分析模型

3.1 分析假设

(1)由于结构变形范围较小，且许用应力均小于材料屈服极限，故分析基于线弹性模型进行。

(2)对于托盘座与底座的连接关系，认为二者是弹性接触关系，所有的变形与载荷通过二者间的接触面传递。

(3)托盘和货物的质量集中于托盘的几何中心，通过固定接触连接形式将变形和载荷传递给托盘座等部件。

(4)采用辅助结构模拟货物支撑装置与端侧墙、底架等其他部件的柔性连接。

3.2 有限元模型的建立及接触对定义

有限元分析模型采用空间笛卡尔坐标系。该坐标系中，X轴指向车辆运行前方，Y轴与线路方向相垂直，Z轴垂直于轨道平面，其正方向为竖直向上。坐标系XOY平面位于模型下端面上，原点为模型对称中心，几何模型如图1所示。

因辅助结构为组焊结构，故采用4节点的壳单元Shell 63进行离散，底座和托盘座采用8节点的实体单元Solid 45进行离散；底座与托盘座间通过弹性体接触模拟(二者的相对摩擦因数取0.3)，接触单元定义在托盘座上；利用Mass 21质量单元模拟托盘和货物，与托盘座通过Beam 188梁单元和MPC多点接触算法连接。离散时尽可能采用四边形或六面体单元，个别过渡区域采用了三角形或四面体单元。除托盘座之外的4个承载点通过直接在梁单元端点施加垂向约束的方式模拟，在辅助结构底部施加全约束。

结构有限元模型(见图4)共有308 196个节点，87 354个Shell 63单元，157 252个Solid 45单元，2个Mass 21单元和4个Beam 188单元。

图4 结构有限元离散模型

3.3 计算载荷与载荷工况

根据结构的实际受力情况，货物承载装置的应力分布主要受装载货物垂向载荷的影响。为使分析结果更为准确，载荷的选取参照了AS 7520.2标准和车辆实际运用状态，取正常运用垂向载荷(4个托盘座总承载2.25 t)和超常运用垂向载荷(4个托盘座总承载4 t)。此外，考虑AS 7520.2标准指明的运行振动影响，以及托盘座、底座和装载货物受到的力与重力方向一致，分析时垂向取0.3g的动态载荷。按照货物的装载位置(见图5)，分别从第1行孔至第6行孔，设有6个工况(工况序号与装载位置序号一致，即工况1载荷施加于第1行孔处)，每个工况均有正常载荷和超常载荷作用，其中正常载荷大小为“4个托盘座共承载2.25 t”，超常载荷大小为“4个托盘座共承载4 t”。

图5 装载位置

4 计算结果与评定

经过13次非线性迭代计算后，模型收敛。在正常和超常垂向载荷的作用下，结构在各个计算工况的载荷作用下，托盘座与底座的最大应力节点分布如表1所示。

在正常载荷作用下，底座的最大节点应力为451.795 MPa～484.075 MPa，均超出了材质的许用应力(440 MPa)和屈服极限(450 MPa)，托盘座的最大节点应力均小于材料的许用应力(440 MPa)；在超常垂向载荷的作用下，底座的最大节点应力为818.563 MPa～877.44 MPa，均已超出了材质的抗拉极限(550 MPa)；托盘座的最大节点应力为520.163 MPa～564.697 MPa，均已超出了材质的屈服极限(450 MPa)和抗拉极限(550 MPa)。托盘座最大应力如图6和图7所示，底座最大应力如图8和图9所示。

表1 结构最大计算应力

图6 第4行孔处托盘座应力应力云图(正常载荷)

图7 第4行孔处托盘座应力云图(超常载荷)

图8 第2行孔处底座应力云图(正常载荷)

图9 第2行孔处底座应力云图(超常载荷)

由图6～图9可知，结构在承载过程中底座和托盘座接触处均产生了较严重的应力集中现象，这与理论分析一致。由此可知，底座和托盘座配合承载时，结构的强度储备不足，在运用过程中极易被破坏，此货物承载装置应进一步优化设计。

5 结论

通过上面的分析和仿真计算可知，货物支撑装置中由于存在较大的装配间隙，在运用过程中时常出现线-面接触，触发结构受载产生十分明显的应力集中现象，极大地削弱了结构的强度储备，仿真分析结果与运用故障的发生处和结构理论分析都十分吻合。因此，此货物支撑装置需进行进一步的优化设计，以达到减小装配间隙、保证运用中托盘座与底座时刻保持面-面接触的目的。

[1] 刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M].北京：科学出版社，2006.

[2] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.□

(编辑：缪 媚)

2095-5251(2016)02-0044-03

2015-01-20

韩金刚(1985-)，男，硕士研究生学历，工程师，从事铁路货车结构设计及仿真研究工作。

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