3000马力调车撒砂支架有限元静强度及疲劳分析与优化

刘洪璋+曲仁龙

摘要：对3000马力调车撒砂支架结构在工况下进行有限元仿真计算分析，根据计算结果进行结构改进，达到设计要求。

关键词：撒砂支架；有限元；疲劳；优化

中图分类号：TQ028.3 文献标志碼：A 文章编号

引言

砂管支架断裂存在较大的安全隐患，所以对撒砂支架结构进行有限元仿真计算分析能够应力分布状况并根据此进行结构改进，达到设计要求。

1支架结构形式

该支架主体部分由8mm、10mm厚的板构成，安装在转向架下端。支架具体结构如图1.1所示。

1.1支架有限元模型

简化螺栓连接，将支架上端简化为全约束，将支架中间设备设为集中质量，生成计算模型。采用四面体10节点体单元[1]对实体模型进行离散。计算模型中节点总数为385047个，单元总数为240571个。

1.2支架基本计算载荷

该支架安装在转向架上，强度计算参考 BS EN13749-2011铁路设施.转向架结构要求[2]的规定方法。超常载荷包括最大垂向加速度=± 20.0 g ；最大横向加速度=± 10.0 g ；最大纵向加速度=± 5.0 g。疲劳载荷包括垂向加速度=± 6.0 g；横向加速度=± 5.0 g ；纵向加速度=± 2.5 g。

1.3支架载荷工况

将超常载荷、疲劳载荷以及实际运行情况对这些载荷的组合采取以下工况。

工况一：最大正向垂向加速度；工况二：最大反向垂向加速度；工况三：最大正向纵向加速度；工况四：最大反向纵向加速度；工况五：最大正向横向加速度；工况六：最大反向横向加速度；工况七：疲劳正向垂向加速度；工况八：疲劳反向垂向加速度；工况九：疲劳正向纵向加速度；工况十：疲劳反向纵向加速度；工况十一：疲劳正向横向加速度；工况十二：疲劳反向横向加速度。工况一～六为超常工况，工况七～十二为疲劳工况。支架与转向架构架连接处简化为全约束。

2强度评定依据

砂箱材质为Q235B，按照GB/T700-2006《碳素结构钢》标准和古德曼材料疲劳应力曲线该材料的机械性能如表2.1示。在强度评价中采用第四强度理论导出的等效应力（又称Von Mises 应力）来评价[3]，此等效应力不得超过相应计算工况的许用应力。第四强度理论的含义是：在任意应力状态下，材料不发生破坏的条件是：

3 强度计算分析

3.1计算结果分析

各工况的最大应力（即Von Mises应力，下文同）及出现位置见表3.1。后四种工况下焊缝处应力很大不满足许用应力上限，根据模型在更工况下的受力特点将模型部分进行修改如图3.1所示。

3.2改良模型计算分析

模型修改后各工况的最大应力及出现位置见表3.2。修改后模型满足所有工况条件，所有工况的最大应力值比原模型减小。

4结论

原模型无法达到设计要求，根据原模型的计算结果进行针对性修改，改良后模型满足所有工况条件，在疲劳横向加速度工况下应力最大减小46.25%，且模型总重量也有所下降。

参考文献：

[1] 王新敏， ANSYS工程结构数值分析[M]. 北京：人民交通出版社， 2007， 135-145.

[2] BS EN13749-2011铁路设施.转向架结构要求 [S].

[3] 刘鸿文， 材料力学[M]. 北京：高等教育出版社， 2004， 242-251.