库外固定式挡车器测绘及非线性有限元分析

徐美晨，张 霖

(长春师范大学工程学院，吉林长春 130032)

轨道车辆的质量大，惯性大，而轮轨的摩擦力较小，故在线路末端设置挡车器等防护设备是一项十分必要的被动性安全措施。挡车器结构在承受冲击载荷作用时，须要有足够的强度，以保证列车在不损坏轨道设施的情况下，可靠停在轨道线路内[1]。因而对挡车器结构的可靠性研究尤为重要，随着有限元仿真分析方法的不断完善，在挡车器结构设计阶段，可通常运用有限元法对其结构性能进行仿真分析[2]。

本文以原吉林日报社仓库轨道末端的固定式挡车器为研究对象，通过运用专业基础课、核心课和方向课的知识和技能完成实地测绘、三维建模和接触非线性分析。

1 挡车器结构的测绘

尺寸测量是零件测绘过程中的一个必要步骤，测量的准确性对于有限元模型构建的正确性和数值法求解结果的可靠性具有重要作用。运用所学“公差及测量技术”和“轨道车辆新技术”课程的知识进行挡车器结构测量，在进行挡车器现场测量时，发现挡车器表面已布满铁锈。为了保证测量的精确性，先用砂纸将铁锈除去，再利用游标卡尺进行多次测量取平均值。在测量挡车器立柱距轨面之间的距离时，利用卷尺和红外线水平仪配合多次测量取平均值。挡车器主要部件测量数据如表1所示。

表1挡车器主要部件测量数据mm

部件尺寸工字型横梁中心线板支撑架长358381595宽4611．51042高20151042

在考察挡车结构特点之后，得知该挡车器属于库外固定式挡车器。库外固定式挡车器是安装在铁路尽头线防止车辆溜逸时撞击车挡的安全设备，其结构简单，造价较低，维护方便。可以用在车辆编组较小，冲击速度不高的场合，这正是其设置在货运线末端的原因。

[指导教师]张 霖(1989- )，男，讲师，硕士，从事数值仿真研究。

运用所学“CAD/CAM”和“SolidWorks基础”课程的知识建立了该库外固定式挡车器的三维几何模型，强化了使用建模工具对车辆结构绘图和建模的技能。为保证挡车器三维几何模型构建的准确性与灵活性，构建参考基准面和基准轴。根据所测得数据，应用Solidworks软件将所有零部件构建好之后，将各零部件按照挡车器的实际连接情况进行装配，以保证三维模型装配的正确性[3]。

挡车器的三维几何模型如图1所示，其中库外固定式挡车器的挡板通过两个M20螺栓与工字型横梁连接，两根工字型横梁通过七个M20螺栓与挡车器支架连接。由于螺栓是标准件，在测量时仅需要测量螺栓直径，通过查阅《机械设计手册》可得到该直径下螺栓结构的详细几何尺寸。

图1 挡车器三维几何模型

图2 挡车器有限元模型

2 接触非线性有限元分析

基于构建的库外固定式挡车器三维几何模型，运用所学“材料力学”“有限元及在车辆强度中应用”和“机械优化设计”课程的知识，对该挡车器中的螺栓结构进行接触非线性有限元分析。主要包括横梁结构的静强度分析，对吊座构建实体接触模型，采用接触对定义连接关系，计算并评估结构中横梁和垫板连接区域的螺栓强度。

本次构建的有限元模型全部采用三维实体单元，挡车器有限元模型如图2所示。所构建的挡车器有限元模型中三维实体单元总数为303692，其中六面体单元数为299038，占比98%，楔形单元数为4654，占比2%，单元类型均采用三维低阶单元SOLID185。

图3 螺栓接触对模型

在模拟螺栓结构载荷传递时，在接触区域创建的接触对采用的目标单元为170，接触单元为174，像皮肤一样覆盖在结构接触区域的有限元模型上。这两类单元非常适合面对面接触问题，如过盈装配接触、进料接触、锻造和深拉深[4]。本次研究的方法具有较强的实践性和普适性，是轨道车辆结构进行有限元仿真分析的一种重要方法[5]。在该挡车器有限元模型中总计9个螺栓，45个接触对。接触区域发生在螺母与垫板、垫板与横梁以及横梁与横梁之间，如图3所示为螺栓接触对模型。

本次非线性有限元分析的工况为压缩工况，主要模拟货运列车在轨道线路末端撞击挡车器的情况。挡车器设置在轨道线路末端，列车撞击挡车器前已经制动并滑行一定距离，因而撞击挡车器的冲击载荷可以等效为水平的静载荷[6]。压缩工况的静载荷为158.1 t，施加于前端垫板面上。通过调用非线性求解器，得到该工况下挡车器结构的应力云图，图4为挡车器结构的应力云图。

在压缩工况下，该挡车器结构整体的最大等效应力发生在挡车器上部挡板边缘处，由应力云图可知其值为651.212 MPa。通过对挡车器结构的应力云图分析可知，该最大等效应力为局部应力，除去边缘处的局部位置，其它位置处的等效应力均在260 MPa以下。根据GB_T699-1999《优质碳素结构钢》，75号钢等的屈服强度均达到880 MPa以上，而广泛使用的45号钢的屈服强度也达到了355 MPa。

在压缩工况下，螺栓的最大等效应力发生在螺栓杆根部，图5为螺栓的应力云图，由图可知其值为584.401 MPa。而本次计算选用的螺栓是强度等级为10.9的M20螺栓标准件，根据《机械设计手册》可知螺栓屈服强度为900 MPa，远大于螺栓的最大应力584.401 MPa，因而挡车器中的9个螺栓结构均满足屈服强度要求。

图4 挡车器结构的应力云图

图5 螺栓的应力云图

3 结论

(1)通过实地测量和运用三维软件造型的方式，综合运用理论知识和软件技能解决了实际问题，将实际模型转变为可求解的数学模型，得到了库外固定式挡车器的三维几何模型。

(2)根据挡车器结构中载荷的传递路线，充分考虑挡车器螺栓之间复杂的接触关系，对挡车器模型进行了静强度的计算。计算结果表明：选用M20的螺栓，螺栓预紧力在15330N时，挡车器和螺栓结构的强度是符合要求的。

(3)本文将结构测量测绘、计算机建模和有限元分析三个专业技能结合，通过对原吉林日报社仓库轨道末端的固定式挡车器进行非线性有限元分析，为挡车器的螺栓设计提供了可行方案。

[1]施董燕.城市轨道交通线路挡车器选型及技术参数研究[J].城市轨道交通研究,2012,24(10):71-74.

[2]商跃进,王红.有限元原理与ANSYS实践[M].北京:清华大学出版社,2012:102-110.

[3]尹忠杰.基于ANSYS接触单元的轴承座强度分析[J].机械工程师,2016,65(10):65-67.

[4]王强龙.螺栓连接条件下结构振动模态的时频分析方法[J].机械设计与制造,2016,72(7):72-75.

[5]兰志文,林志鹏.预紧力变化对高强螺栓摩擦型连接板应变分布的影响[J].南昌大学学报,2017,39(1):43-49.

[6]徐海鹰.摩擦型多排高强度螺栓连接分析[J].铁道工程学报,2011,158(11):67-69.