基于SolidWorks Simulation的定位管支撑本体静态及疲劳分析研究

田乐

（中铁高铁电气装备股份有限公司，陕西宝鸡 721013）

0 引言

柔性接触网系统是电气化铁路的一个重要组成部分[1]。该系统利用各种结构件在铁路上空架设一条特殊形式输电线路，行驶在铁轨上的机车通过受电弓抬升接触带电的接触线为机车供电。这就要求柔性接触网具有弹性好、弓网接触良好、接触线受流质量高、造价低廉、安全性高等特点，使之适用于较高速度行车工况[2]。

常见的柔性接触网由腕臂装置、门型横跨装置、中心锚结装置、悬吊装置、电连接装置、下锚装置等组成，其中腕臂装置与支柱构成支架作为主要的承力装置[3]。腕臂装置主要由平腕臂、斜腕臂、腕臂连接器、承力索座、定位管支撑、支撑连接器等组成，诸如定位管支撑之类的支撑性零件，在工作中长期承受交变载荷，因此除了需要考虑静态强度因素外，疲劳分析结果也是该类零件运行状态及使用寿命的重要参考依据[4]。疲劳分析在试验中耗材耗时，而使用有限元分析可以节省材料成本和试验时间成本，本文针对定位管支撑类零件本体进行静应力分析和疲劳分析。

由于定位管支撑在腕臂装置中主要对定位管起支撑作用，而定位管端头又通过定位器和定位线夹与接触线相连，接触线在工作时受到的外部载荷多为循环往复的交变载荷，该载荷通过线夹、定位器传递给定位管和定位管支撑。但目前仿真力学分析在静力学校核方面比较多，分析的工况多为静止状态，疲劳状态方面的比较少[5]。综合以上原因，有必要对受力比较复杂的定位管支撑进行疲劳分析的研究。

图1 接触网腕臂装置示意图

1 轴向拉载荷静力学分析

1.1 有限元模型建立

定位管支撑由定位管支撑本体和端头焊接的连接构件组成，由于本文并未涉及焊接部分的力学性能分析，所以将焊接假设为刚性连接，所以只选取其中定位管支撑本体作为研究对象。定位管支撑本体的材质为20钢，经过查找，20钢在SolidWorks材料库中相当于ASME中1020钢。其材料性能参数如表1所示。

表1 1020钢材料力学性能参数

在SolidWorks中建立管径为48 mm、壁厚为3.5 mm、长度为484 mm的定位管支撑钢管几何模型。并将1020钢材料赋予管体。

由于定位管支撑钢管端头与连接件采用焊接连接，而连接件与其余部件通过螺栓、抱箍紧固连接，故对其端头采用固定约束。在端头截取需要固定的曲面区域，施加固定约束，如图2所示。

对定位管支撑轴向加载5、15、50、100、120 kN的轴向载荷，如图2所示。

图2 有限元模型

1.2 应力结果分析

在结构几何模型建立、材料参数设置、约束定义、载荷添加、网格划分全部完成后，即对定位管支撑本体静力学模型使用带有p-自适应方法调整的FFEplus算法进行求解。求解得出其应力云图如图3所示。

图3 轴向加载静应力分析应力云图

从云图中可以看出，高应力区主要集中在固定端，由于固定端处的约束对轴向拉载荷的抵抗，所以产生了较高的应力值，结果和设计经验是相符的。如图4所示，提取5个加载载荷下对应的最高应力值，随着加载力的增加，最大应力逐渐增大，但是前4个加载载荷下的最大应力都未达到1020钢的屈服极限（351.6 MPa），直到加载载荷增大为120 MPa时，最大应力值达到483.7 MPa，超过了1020钢的屈服极限，云图中有部分区域材料进入屈服状态。

图4 轴向加载加载力-屈服值曲线

轴向拉载荷静力学分析说明，本体材料为1020钢、直径为48 mm、壁厚为3.5 mm、长度为484 mm的定位管支撑本体工作在低于100 kN轴向拉载荷作用下，是安全的，而在相应的设计标准中，工作载荷是远远小于100 kN的，所以单纯的轴向拉载荷并不是定位管支撑本体失效的危险因素。

2 双向正交载荷静力学分析

2.1 有限元模型建立

根据实际工作情况，定位管支撑本体不仅受到轴向拉载荷，还受到斜向载荷，对该斜向载荷正交化，修正上一节中轴向拉载荷的有限元模型，对钢管管头施加沿轴向加载5 kN载荷，沿切向加载5 kN载荷，加载情况如图5所示。

图5 端面正交加载修正

2.2 应力结果分析

在有限元模型修正完成后，对定位管支撑本体静力学模型使用带有p-自适应方法调整的FFEplus算法进行求解。求解得出的应力云图如图6所示。

图6 正交加载静应力分析应力云图

从应力云图可以直观地看到，单纯的轴向拉载荷，零件产生了垂直于轴向的挠度，并且位于零件固定端轴向，以及沿钢管轴向从固定端到终点坐标处的绿色、黄色、红色区域的材料已经进入屈服阶段，最高应力达601.2 MPa。

双向正交载荷静力学分析说明，本体材料为1020钢、直径为48 mm、壁厚为3.5 mm、长度为484 mm的定位管支撑本体工作在5 kN轴向静载荷和5 kN切向静载荷作用下，已经出现了屈服区域，如果处于工作状态中，不仅受到正交静载荷的作用，还会受到周而复始的交变载荷的加载，此时定位管支撑本体疲劳分析显得尤为重要。

3 双向载荷疲劳分析

3.1 S-N曲线参数设置

由于1020钢属于低碳钢，根据ASME碳钢曲线及材料弹性模量，获得S-N曲线。基于双对数法对S-N曲线进行插值。

3.2 应力循环设置

定义分析事件类型为指定的恒定循环；定位管支撑本体一端固定，另一端承受5 kN轴向静载荷和5 kN切向静载荷；添加事件中设定循环次数为1000，负载类型设置为2组，第1组LR＝0，第2组LR＝-1。相关联的事件为上述已经分析过的静态分析；定义计算交替应力手段为对等应力（von Mises）。

3.3 结果分析

在各项设置完成后，即对定位管支撑本体在此条件下进行求解。求解得出其在LR=0和LR=-1的负载类型下生命周期云图，如图7所示。

从图7中可以看到，定位管支撑本体在LR=0加载情况时，最低生命总数可以达到6009个加载周期，且低生命总数区域分布较少；而定位管支撑本体在LR=-1加载情况时，最低生命总数只有780.8个加载周期，且低生命总数区域分布较多。所以定位管支撑本体在LR=0加载情况下的疲劳结果要优于LR=-1加载情况的。虽然在LR=0和LR=-1两种加载情况下疲劳结果有较大的差异，但是两种加载情况下低生命总数区域都包含了定位管支撑本体的固定区域，有必要对该区域进行进一步的分析。

图7 疲劳分析生命周期云图

对定位管支撑本体固定区域的疲劳数据进行处理。图8是在LR=0和LR=-1两种加载情况下定位管支撑本体固定区域周向的疲劳数据，从图中可以看到，沿着定位管支撑本体的固定区域周向，两种加载情况下生命周期总数都出现先增大、后减小、再增大、再减小的循环往复的趋势，结合正交加载静应力云图分析，曲线中生命周期总数低值出现在定位管本体弯曲变形的上、下面，而生命周期总数高值出现在两个侧面。这种结果说明，此种工况下交变载荷对周向的影响并不均匀，主要对定位管支撑本体的上、下面有重要影响。图中LR=-1加载情况的曲线包含在LR=0加载情况的曲线以内，说明沿定位管支撑本体固定区域周向方向LR=-1 加载情况造成的疲劳比LR=0加载情况的更严重。

图8 固定区域周向疲劳结果曲线

4 结语

本文在SolidWorks中建立了定位管支撑本体的三维模型，在Simulation中设置相关参数、划分网格建立定位管支撑本体的有限元模型。首先对定位管支撑本体轴向加载5、10、50、100、120 kN，进行静态应力有限元分析后发现，在单纯的轴向载荷作用下，定位管支撑本体可以承受较大的轴向载荷，直到120 kN才出现屈服区域。随后对定位管支撑本体端面加载了正交载荷，轴向加载5 kN，切向加载5 kN，静应力分析后发现，定位管支撑本体沿轴向和固定端轴向出现了屈服区域。出现屈服后，在交变载荷下，容易陷入低周疲劳。遂基于ASME碳钢机制定义材料疲劳曲线（S-N曲线），分别施加LR=0和LR=-1载荷情况，对定位管支撑本体进行了疲劳分析，得出了在LR=0和LR=-1载荷情况下定位管支撑本体的生命周期等相关数据。数据显示定位管支撑本体在LR=0加载情况下的疲劳结果要优于在LR=-1加载情况，疲劳区域的分布形式受正交载荷下应力区域分布的影响，此种工况下交变载荷对周向的影响并不均匀，主要对定位管支撑本体的上下面有重要影响，沿轴向反向，疲劳生命周期出现了先增大、后减小、再增大、再减小的循环往复的现象。该分析在对以后进行其他同类型管类支撑件的设计和可靠性分析有一定的参考价值。

柔性接触网系统是一个比较复杂的系统，腕臂装置上零构件也比较多，一般采用试验的方法对零构件验证，对于有限元仿真分析目前尚少，所以本文仅从腕臂装置中选取一种零件进行了多种加载静应力分析和疲劳分析，进而简化了连接处的一些复杂接触特性，希望在以后的研究中可以逐渐补充。