一种连接车体的铰接装置的有限元受力分析

刘佼龙　杨冠男

摘 要：采用有限元处理软件HYPERMESH进行建模，采用HyperWorks自带的大型非线性有限元求解器RADIOSS对此铰接装置进行有限元强度分析，校核强度。

关键词：铰接装置；有限元强度分析；非线性理论

1 概述

此铰接装置是用于低地板车辆两模块之间重要的连接部件。

本次分析根据产品三维图和车体载荷输出，采用目前世界上最通用的有限元处理软件HYPERMESH进行建模，最后采用HyperWorks自带的大型非线性有限元求解器RADIOSS进行计算。

建立详细的有限元模型需要根据实际情况对实际结构进行必要的简化，选择合适的单元，合理模拟实际连接连接情况，下面进行分别讨论。

建模过程中对下列问题进行了简化：圆角、倒角以及工艺凹槽等结构中尺寸相对较小的局部细节将影网格质量，处于低应力区的这些结构细节予以忽略，高应力区则不能忽略。

单元选择：该结构件不完全对称，为了准确模拟结构的受力情况，取整体结构建立有限元力学模型。由于铰接装置结构件厚度大部分都在4mm以上，厚度较厚，细长处较少，故在建立有限元模型时采用六面体单位CHEXA，该单元上的每个节点都具有6个自由度，分别为沿节点坐标系X、Y、Z方向的移动和绕X、Y、Z轴转动。

2 有限元建模

有限元建模：结构静力学分析是用来计算结构在固定不变的载荷的作用下的响应，也就是由稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变或力，结构静力分析不考虑惯性和阻尼的影响，但是静力分析却可以分析那些固定不变的惯性载荷对结构的影响，以及那些可以近似为静力作用的随时间变化的载荷。结构静力分析中，由于只是分析计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用下的结构或部件的位移、应力和应变，因此一般都假定载荷和响应固定不变。静力分析中施加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力（如重力和离心力）和位移载荷等。

第四强度理论认为，单元体的均方根剪应力是引起材料屈服破坏的主要因素。铰接装置结构的主要是钢，材料的失效以材料发生塑性变形为标志。因此对结构静强度校核可根据第四强度理论选择VON Mises应力来判断结构强度。

有限元模型如图2所示。

如图2所示整个固定铰由5大件构成：安装座1、连接销、关节外圈、关节轴、安装座2，其中安装座1、安装座2通过底部8个通用螺栓孔连接在车体壁上，它们之间则通过关节轴承与销连接。每个部件均按照实际情况赋予材料，安装座与销均为锻件，杨氏模量为2.12E5MPa，泊松比为0.28。该材料的屈服强度为930MPa，极限强度为1080MPa。为了保证计算精度，对整个构件都按照5mm划分网格。本次有限元模型总结点数为42292个，总单元数为34890个。

单铰下部固定铰载荷，如表1所示。

如表1所示单铰下部固定铰共需计算两种工况。（-为压力；+为拉力）

建模说明：针对产品实际使用情况，本次分析采用非线性算法进行计算。对安装座1的8个安装孔的所有单元进行完全固定，约束单元的6个自由度。对安装座的2的8个安装孔只约束住5个自由度，释放X轴向自由度，也就是能让安装座横向传递力给轴承。本次分析共建立了7个非线性接触连接，用来模拟实际运行时轴承之间、销与安装座之间的配合。销轴与安装座空位之间采用间隙接触，关节轴承与销轴之间采用过盈接触。考虑到实际使用情况，本次分析在受力底座端面建立RB3刚性单元，对安装座底部受力端面建立RB3单元进行绑定，然后整体施加力，实际加载情况见图3、图4中的静应力云图。

3 计算结果

在上述有限元网格、边界条件和载荷作用下，采用RADIOSSS求解器对结构件两种工况进行了有限元强度分析，下面展现分析结果。

序号1工况分析结果，如图3所示。

由图3可知整个部件的VON Mise应力值在序号1工况下最大值为316MPa，最大形变为0.19mm，形变十分微小且应力值远低于安装座材料的许用应力808MPa，关节轴承的许用应力700MPa，满足强度要求。

序号2工况分析结果，如图3所示。

由图4可知整个部件的VON Mise应力值在序号2工况下最大值为461MPa，最大形变为0.28mm，形变十分微小且应力值远低于材料的许用应力808MPa，关节轴承的许用应力700MPa，满足强度要求。

4 工况分析总结

综上所述工况分析可知，在目前的工况下该部件能满足强度要求，且最大应力均发生在关节轴承处。

参考文献

[1]李敏娟.广州海珠有轨电车车辆主要技术特征分析[J].现代城市轨道交通，2014（3）.

[2]魏德敏.非线性理论及其引用[M].科学出版社，2004.

[3]王勖成.有限单元法[M].清华大学出版社，2003.

作者简介：刘佼龙（1987-），男，助理工程师，本科，湖南工业大学，机械工程及自动化专业，2010年至今主要从事机械开发设计方面的工作。