货车钩舌强度的数值仿真

作者：谷薇 李志敏 兆文忠

欢迎访问e展厅 展厅 6 铁路与轨道交通展厅 铁路养护工具, ... 一、引言 随着列车的运行速度、总重和货车吊车连挂速度的提高，作用于车钩上的纵向力随之增加，因此对车钩的强度也提出了更高的要求。防止货物列车分高事故的发生是铁路货运向重载、高速发展的同时必须解决的一个重要问题。车钩疲劳断裂是导致货物列车分高事故发生的主要原因之一，直接关系到货物列车能否安全可靠地运行。 二、模型的建立 构造模型的几何，是建模中最费时间与精力的一项硬任务。许多专用的有限元软件与某些CAD/CAE/CAM软件留有接口，其根本原因是借助于后者强大的几何造形功能，如实体、曲面、曲线的专用功能以提高建模效率。这些命令相当多，一层一层之间互相嵌套，非常有效且出色。其次，专用的有限元软件本身也有相当不错的造形功能。关于构造模型几何的基本功与技巧，这里不再讨论。这里要强调的是构造模型几何的唯一目的是为了划分单元、加载、加约束条件，因此在构造模型几何之前，必须设计好在何处用何种单元，在何处加载，以及在何处施加约束条件。 一般来说，仿真模型包括两方面的内容：一是仿真的几何模型，一是仿真分析的问题抽象模型。仿真几何模型的建立一般有两种方法：一是应用CAD建模，一是应用CAE建模。CAD建模工具强大而且可以精确逼近分析对象的真实几何，但不足之处是有限元分析导入CAD模型时，存在难以转换的情况。CAE建模往往比较适合有限元分析的进行，但CAE建模的效率和准确度则不如CAD建模。仿真分析的问题抽象模型建立难度较大，而且根据分析任务的不同，模型也会千差万别。抽象模型的建立，依赖经验的透明度较大。在CAD/CAE/CAM数值模拟仿真系统中，CAD技术重视的是产品的几何造型，而CAE技术重视的是产品的性能分析、仿真与优化。一个产品的几何形状固然很重要，但是产品的性能更重要，因为产品的价值主要取决于它的性能。因此，有限元技术在数值模拟仿真软件系统中，扮演着极其重要的角色。钩舌的模型比较复杂，采用I-DEAS Master Series 9.0软件创建的模型如图1所示。 三、钩舌的有限元分析 采用I-DEAS Master Series 9.0分析软件对钩舌静强度进行了有限元分析计算。在计算过程中采用四节点四面体单元进行结构离散，整个模型共划分了408 686个单元和79 901个节点。在弯角及可能的高应力区位置，单元划分比较细密，以便能够得到精度较高的结果。 结构中不可避免地存在高应力区，如果求解之前能判断出哪些区域有可能应力集中，那么在建立网格区域时，应当主动地先将一个较大的区域分割成许多小区域，对每个小区域，逐次缩小最大单元的控制尺寸，这样的过渡可以实现高应力区域局部网格加密。 空间块体自由网格划分得到的单元中，有些单元不一定满足质量要求，其主要原因是：邻近的网格区域体积差异太大，或者形成一个网格区域的几何形状变化太快。 自由网格生成算法的基础是拓朴技术，它并不能保证网格中每一个单元的雅可比变换条件都成立，因此单元质量的检查是必要的，一旦检查出某些单元质量不满足定义要求，可通过重新定义网格区域或重新设定最大单元尺寸的控制来纠正，或者利用程序中单元形状的自身改进功能。 四、载荷工况及约束条件 一般来讲，如模型细分更小的单元，则求解将更准确。了解你在最终的求解结果上充分收敛的唯一确信的方法是用更细的网格单元来建立更多的模型，以检查求解结果的收敛性。新的有限元用户经常产生想象上的错误，即建立一个有限元模型的目的是建立一个看起来象这种结构的模型。有限元建模的目的是建立一个从数学意义上“相似”的模型，而不是一个外观相似的模型。一个有经验的使用者学会了怎样选择单元的正确类型，和在模型的不同区域中怎样来细分网格。经常忽略的错误根源是在一个模型中的负载和边界条件上进行了错误的假设，同时也很轻易地相信一个有限元模型的每个十进位结果，以及忘掉了在负载和边界条件上粗糙的假设。如果有一个关于怎样建立边界条件模型的问题，宁可用模型以不同的方法去测试其灵敏度，也不能仅遵循一种方法，得出一种答案，这就是说：“分析的目的在于洞察力而不是数量”。 有限元求解分为三个步骤：前处理（PREPROCESSION）、求解（SOLUTION）和后处理（POSTPROCESSION）。前处理包括产生一个有限元模型几何体的全过程，输入物理特性，描述边界条件和载荷，以及检查模型。求解过程在I-DEAS/SIMULATION的模型求解模块中进行，或在一个外部有限元分析程序中进行。I-DEAS求解能够解答线性和非线性的、静态的、动态的、屈曲、热传导和势位能分析问题。至于其他类型的分析，有限元模型信息对于一个外部有限元求解问题可写成所要求的格式，如MSC、NASTRAN、ANSYS和ABAQUS等。后处理包括标绘出偏移和应力，利用失效准则，诸如允许的最大偏移、材质的静态和疲劳强度等来比较这些结果。仅仅想知道零件是否能经受住载荷试验不是通常的情况。我们希望能够看到不同形式的显示结果，这样我们就可以来判断为什么零件失效和怎样去改进设计。有两个问题在后处理阶段必须作出解答，那就是：模型准确吗？结构满意吗？在模型中可能有许多错误的根源，例如，有限元网格的粗糙，所用单元的类型或材料性质的不准确性。这就是为什么后期处理将包括检查那些在建立模型时不可能发觉的错误。必须进行的一个基本的检查是用某些人工的计算法来确定譬如在输入材料性质时，小数点的位置不会发生任何显著的错误等；也要观察应力前标绘出位移，因为位移通常比应力更为直观；在继续程序前确认变形的形态正确无误。边界条件中常有的错误可通过细心观察来避免。 载荷可分静载荷和动载荷两大类，每一大类中又可以分成集中载荷、线载荷、面载荷及体载荷。动载荷中还可有随机载荷等。不论是哪一种载荷，可以定义在几何上，也可以定义在单元或结点上。其实，定义到几何及单元上的载荷最终也要被程序自动转换成结点载荷。当载荷分布比较复杂时，将载荷加到几何上是最理想的，因此在建立模型几何的过程中要兼顾加载的要求。 约束条件一般指边界的支承条件或对称面上维持对称性自由度的约束要求。象载荷一样，约束条件也可以间接施加到几何上。 从操作上看，似乎施加载荷条件是一件很容易的事。其实不然，有时载荷模型的提取很有学问，尤其是通过接触传递下来的接触力，事先是很难确定其大小和分布规律的。遇到这种情况，最好的解决办法是将传递接触力的对象也包括在计算模型之内，当然，这样作要付出一定的代价，即把一个简单问题复杂化了，需要建立接触元迭代求解。 在钩舌的分析过程中分别计算了拉伸3430 kN和压缩4450 kN两种工况，约束条件均模拟实际运用情况进行施加，钩舌销孔处可以转动，因而施加横向和纵向的位移约束；根据工况将拉伸力和压缩力施加在钩舌外侧弧面上。 五、结果分析 车钩钩舌有限元计算结果（见图2）表明，钩舌内侧圆弧表面应力很高，超出E级钢材料的屈服极限（690MPa），这与试验中表面出现鳞片状脱落的表面破坏情况一致，建议对钩舌表面进行喷丸处理，改善表面性能。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/11/2004)