特种集装箱铁路运输平车有限元优化分析

2017-01-20于艳丽刘芝娜

中国设备工程 2017年19期

关键词：平车有限元法特种

于艳丽，刘芝娜

（中国船级社质量认证公司，北京 100006）

特种集装箱铁路运输平车有限元优化分析

于艳丽，刘芝娜

（中国船级社质量认证公司，北京 100006）

有限元法是一种常用且高效的计算手段。有限元法是根据变分原理演化而来的。随着电脑科技的不断发展，有限元法已经以一种CAE技术形态展现在人们眼前。有限元法以其强大解析能力，受到各界设计人员的好评。本文以有限元法的概述为中心，分析了特种集装箱铁路运输平车的有限元优化方案。

有限元法；优化；特种集装箱；铁路运输平车；分析

若想对特种集装箱铁路运输平车进行优化，就必须先了解有限元法的基本思想，明确其步骤与优势，并且要对其软件有一定的认识。

1 有限元法的概述

1.1 有限元法简介

有限元法概念最早的出现，可以追溯到20世纪的40年代。是Courant在处理St．Venant扭转问题时，将有限元法初步概念在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理上的。直至1956年，才出现第一次实验的成功，这是由Clough、Turner等人在处理飞机构造弹性力学平面问题的分析上，使用钢架位移法，并在这基础上,使用三角形单元算法解决了平面应力的问题。有限元法正式提出是在1960年，由Clough在处理平面弹性时得以认证，并进入了人们的视野。

紧跟着电脑科学技术的快速成长，有限元法的分析层面也得到了扩充，从单独的结构工程强度分析，直接发展到现今的各个科学技术领域。并且由于有限元的分析应用性广、功能性强，其对于工程设计与开发的辅助性有着无与伦比的高效型，是现今科研技术企业保持恒久竞争力最为优秀的重要工具之一。

1.2 有限元法的基本思想

有限元法的基础理论思想就是将结构进行离散化处理。具体的说，就是对于实际结果进行离散化处理，获得有限数目规则单位的结合体。分析其离散的结合体物理性就能够达到对实际结构物理性分析的目的，通过计算分析得出的相似结果来替代复杂的实际结构分析。

1.3 有限元法具体分析步骤

将分析对象进行离散化处理。其离散结果为有限数量单位，单位的数量依据计划所需和计算的单位精度所定。其离散的单位数量越多，所得到的结果就会越接近实际的分析对象，相对的计算量也会随之增大。

对单位进行特性的分析。由于位移法是在有限元法计算中经常用到的，所以第一步就是需要选择相应的位移模式，也可以说是位移函数。接下来就是对于单位力学性质的分析，依据单位不同的性质，对其各个方面进行有目的性的分析，并分析出单位节点与其位移的关系式，得出单位刚度矩阵的分析结果。最后，再求出等效节点力，并将单位边界的表面力、集中力有计划的附加在节点上。简单来说用等效节点力的数据作为所有作用在单位上力的依据。

单位组集。对于单位的组集就是对刚度矩阵的整体建立。利用其结构中某种平衡力与边界条件,将各个单位按照原始结构重新组合。

求解为止节点位移。使用有限元方程，获得节点位移的相关数值，再根据数值对未知量进行分析。

1.4 有限元法分析的优势

其与常规的力学分析法相比，有限元分析的优势在于它可以分析一些复杂性较强，非均质的实际工程结构。同时，对于复杂性较强的本构关系、条件、荷载有限元法能够起到一个良好的模拟作用。使用有限元法还可以对结构进行进一步的动力分析。在此之上，由于其前处理与后处理技术的进步，可以借鉴大量实际案例进行对比分析，从而有力于结构结果的计算，还能够对工程方案进行细致的增强与优化。

2 有限元法对于特种集装箱运输平车分析的适用性

有限元法的用途广泛，其对于特种集装箱铁路运输平车的评估有着巨大的帮助，这个帮助有着两个方面的优势。一方面是，由于平车的体积比较大，用普通分析法，不但耽误时间，而且还容易产生误差，这将直接影响今后的使用。使用有限元法的离散处理，只对一部分分析，就能得到与实际相似的答案。使用有限元法，不但能够节省时间，还能够有效的实现测试目的。第二个方面是，有限元法面对不同的材料，也能够在一定程度上进行计算分析。对于有些力学分析法分析不了的材料，有限元法能够从一定层面上弥补普通分析法的不足。并且有限元法在另一个角度。加强了技术人员对于分析车体的时效性，增进了工作的效率。

3 特种集装箱铁路运输平车有限元优化分析

3.1 特种集装箱结构简介

对于集装箱的选择，都是要在切合《标准轨距铁路机车车辆限界》的实际标准基础上，来进行有限元优化。

（1）性能介绍。集装箱要切合《标准轨距铁路机车车辆限界》规定，其装运保温箱分为三级，一级的保温箱为32℃，二级与三级保温箱27℃。自重为25，结构最大速度为120km/h。其最小的转弯半径为145m，紧急制动距离为小于等于1400m。

（2）尺寸介绍。转向架中心间距为12．622m，低价的长度与宽度分别为16．422m与12．622m。车钩的中心线为0．88m。在空车的情况下，弹体保温箱为高为1．156m。

（3）主体介绍。该运输平车的构成部分包括了底架，集装箱锁闭设备，缓冲车钩设备，转向架等设备。其底价的焊接方式为全钢焊接，通过对中梁侧梁，端梁枕梁，大、小的衡量等其他辅助梁焊接而成。中梁与侧梁中间有横向的辅助梁。底架上铺有7毫米厚的铁地板。锻造上心盘的直径是358mm，前从板座与后从板座的材质为C级铸钢，并且其余中梁间的连接，采用的是符合相关要求的特殊拉柳钉。在底架的枕梁出与大梁处，分别设立四组固定手动旋锁和发展手动旋锁。

3.2 优化程序与设备

本次优化使用的是有限元分析程序为美国SDRC公司开发的I-DEAS 软件，硬件设备使用的是NT工作站。

3.3 计算模型及计算载荷工况

从整体上来说，其荷载与其结构存在着对称性。所以在选择计算分析对象时，取整体的二分之一与四分之一进行分析。在对称面上选择相适合的位移函数。在分析计算中，将待实验的实际整体结构进行离散处理，其单元为Thin-shell，其节点为64544个，其单位为64663个。其在施加荷载等外力与获得的结果都是按照《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》规定下所进行或评定的。其中纵向力按照下面的方式进行选取。第一工况拉伸1125千牛，压缩1400千牛。第二工况压缩2250千牛对车体强度进行校对与核实。

荷载状况。车体的自重大概在15吨左右，其受力以平均分布的形态作用在平车内部。在满载的情况下，计算车体的动荷系数（Kdy），公式为。其中，fj代表着专享价的垂直静挠度。V代表的是车辆的结构最大速度。a为1．5，b 为 0．05，c为 0．427，d为 1．65。侧向力为垂向静载荷的1/10，扭转在和作用于平车底架的称重处，其数值为40千牛每米。其纵向拉伸作用于平车底架的前从板，其数值为1125千牛。纵向的压缩载荷作用于平车底架的后从板，其数值为1400千牛。

计算工况。本次计算是在各项标准达到相关规定饱和的状况进行计算，以达到最为极限的目的和测试成果。

第一工况，进行拉伸组合时，将纵向拉伸力与垂向总载荷、扭转荷载、侧向力进行合成。要求其结果不能够比第一工况的许用应力大。在进行压缩组合时，要将纵向压缩力与垂向总载荷、扭转载荷、侧向力进行合成，其要求与进行拉伸组合时有着同样的要求。

第二工况，进行纵向压缩力与垂向静载荷的合成，其获得的合成应力结果，不能比其许用应力大。

3.4 评定标准

对于车体整体的刚度判定，要求其组成的挠跨比要小于1/700。对于强度的判定是根据相关规定的许用应力来计算的，这需要对主体材质的兆帕计算。通过计算得出，在第一工况下，其许用应力为215兆帕，第二工况下，其许用应力为292兆帕。

3.5 计算分析结果

刚度结果。经过计算分析，平车中梁的最大挠度为17．6毫米，挠跨比为7/5000，未超过核定标准1/700。

强度结果。第一工况中，进行拉伸组合中其最大应力，发生在平车中梁变断面的下弯角处，其应力值为174兆帕。在进行压缩组合时，其最大应力发生在小横梁加载面处，其数值为132兆帕，均为超过许用应力215兆帕。在第二工况中，进行合成实验，其最大应力为204兆帕，也为超过核定的许用应力292兆帕。经过分析，该特种集装箱平车，符合相关规定要求。