ABAQUS鐵路車輛行業(yè)解決方案

ABAQUS在鐵路機(jī)車行業(yè)CAE分析中的應(yīng)用鐵路是我國的主要運(yùn)輸方式，在國民經(jīng)濟(jì)中起著非常重要的作用。體力的客貨運(yùn)輸量占我國總運(yùn)量的50%,是國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展先導(dǎo)。近年來，國民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，由于以前忽視了對鐵路的投入，鐵路運(yùn)輸已經(jīng)成為制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸?，F(xiàn)在，政府正在加大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，以改變鐵路發(fā)展的落后狀態(tài)。鐵路車輛分析中的應(yīng)用鐵路車輛是鐵路運(yùn)輸中直接載運(yùn)旅客和貨物的工具，是鐵路中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。作為輪軌車輛的一種，鐵路車輛具有:自行導(dǎo)向，低運(yùn)行阻力，成列運(yùn)行等特點(diǎn)。由于機(jī)車沿軌道運(yùn)行，沒有獨(dú)立操縱運(yùn)行方向的機(jī)構(gòu)，車與車之間需設(shè)置連接緩沖裝置進(jìn)行動力傳遞，因此連接緩沖裝置的設(shè)計(jì)非常重要。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，運(yùn)輸對車輛的要求越來越高，車輛上的各種裝備貨物越來越多因，此，車輛的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)采用新的材料、工藝和結(jié)構(gòu)來降低自身重量，負(fù)載更多的貨物，而這種新的設(shè)計(jì)有必須經(jīng)過相關(guān)的強(qiáng)度剛度校核。鐵路機(jī)車從出現(xiàn)至現(xiàn)在，由于不同目的、用途和運(yùn)用條件，車輛的結(jié)構(gòu)和類型形形色色，但總的來說，可以概括為一下五個(gè)基本部分：車體：是容納運(yùn)輸對象的地方，是安裝和連接其他四個(gè)組成部分的基礎(chǔ)。走行部：其介于車體和軌道之間，引導(dǎo)車輛沿著鋼軌行駛和承受來自車體以及線路的各種載荷并緩和動作用力，是保證車輛運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵部件，也稱為轉(zhuǎn)向架。制動裝置：是保證列車準(zhǔn)確停車及安全運(yùn)行所必不可少的裝置。由于整個(gè)列車的慣性很大，不僅要在機(jī)車上設(shè)置制動裝置，還必須在每輛車上設(shè)置制動裝置。連接緩沖裝置：車輛要成列運(yùn)行，一定要借助連接裝置，同時(shí)還應(yīng)在每列車之間設(shè)置緩沖裝置以緩和列車的沖動。車輛內(nèi)部設(shè)備：是可以為運(yùn)輸對象服務(wù)而設(shè)置于車體內(nèi)的固定附屬裝置。如客車上的臥鋪，行李架等等。行走部分析中的應(yīng)用行走部是機(jī)車運(yùn)行中的主要部件，在行走部的設(shè)計(jì)中必須考慮一下內(nèi)容：1強(qiáng)度和剛度：行走部必須保證足夠的剛度和強(qiáng)度，特別是轉(zhuǎn)向架構(gòu)架對剛度的要求比較高，因?yàn)樗寝D(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)，若剛度部足，回影響各部分之間的相對位置。2運(yùn)行穩(wěn)定性：機(jī)車在直道上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)具有良好的橫向穩(wěn)定性，即機(jī)車達(dá)到最大速度時(shí)，決不允許發(fā)生蛇行失穩(wěn)。3運(yùn)行平穩(wěn)性：機(jī)車的運(yùn)行平穩(wěn)性表示人所感覺到的機(jī)車運(yùn)行的品質(zhì)，在平穩(wěn)性的考核中包括振動加速度，頻率，方向和持續(xù)時(shí)間。4曲線通過性：機(jī)車的曲線通過性差可以引起機(jī)車的脫軌，造成輪緣與曲線軌側(cè)磨增加。5對線路的動力作用：輪軌之間的靜載荷一般不會形成危害，重要的是機(jī)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動載荷回微機(jī)安全。輪對作用于線路的動作用力隨著車速的增高而增加。6結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，維修量小。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)仿真與疲勞壽命預(yù)測近年來的鐵路實(shí)踐中暴露明，提速客車轉(zhuǎn)向架的主要安全隱患就是疲勞腐蝕引起的結(jié)構(gòu)失效，而結(jié)構(gòu)早期疲勞的主要原因是由于軌道車輛運(yùn)行速度的提高引起結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力劇增。結(jié)構(gòu)加速疲勞失效故障既對旅客出行很大的安全隱患，也會使鐵路提速出的問題表發(fā)生造成的經(jīng)濟(jì)乃至聲譽(yù)蒙受損失。因而如何使提速機(jī)車車輛承載結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)壽命期的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)保持較高的安全可靠性，以確保鐵路客運(yùn)的安全，已成為我國鐵路可持續(xù)發(fā)展中一個(gè)引人關(guān)注的研究課題。結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究構(gòu)件在各種隨時(shí)間變化的動載荷（包括運(yùn)動物體受到的動態(tài)或瞬態(tài)力與加速度，結(jié)構(gòu)承受的地震和沖擊波引起的加速度激勵(lì)等）作用下的應(yīng)力位移等響應(yīng)性。ABAQUS提供從穩(wěn)態(tài)響應(yīng)到隨機(jī)振動的強(qiáng)大的的線性動力學(xué)分析功能。ABAQUS提供LANCZOS特征值求解器，對大規(guī)模模型進(jìn)行快速，準(zhǔn)確的特征頻率提取，極大的提高了分析求解速度。同時(shí)，在新的V6.6版本中，ABAQUS推出了新的AMS特征值求解器，以具有127,000個(gè)單元800,000自由度的白車身模型為例，提取前1000階頻率，所花時(shí)間為原來求解器的六分之一。特在分析中通過線路實(shí)測用加速度測試儀測得關(guān)注部位的加速度歷程，然后選取典型譜，以激勵(lì)的形式施加到模型上，由響應(yīng)計(jì)算得出結(jié)構(gòu)模型的動應(yīng)力、動應(yīng)變等，然后就能夠進(jìn)一步應(yīng)用FE-SAFE疲勞分析模塊分析結(jié)構(gòu)疲勞特性。轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度分析機(jī)車轉(zhuǎn)向架的強(qiáng)度校核是機(jī)車設(shè)計(jì)中的主要考慮因素，也是機(jī)車CAD模型完成后進(jìn)行的頭一個(gè)分析。轉(zhuǎn)向架的受力狀況比較復(fù)雜，側(cè)向力，垂向力，縱向力等，如果對單一工況進(jìn)行分析則計(jì)算量很大，效率低下，ABAQUS提供多工況分析功能，可以在一次分析中，將所有的工作狀況全部求解。這樣，既可以節(jié)省分析時(shí)間、縮短研發(fā)時(shí)間，又可以提高工作效率。以汽車底盤和車架的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析為例，采用多工況分析，將使分析時(shí)間提高至單一工況分析的十分之一。彈簧裝置分析行走部彈簧有兩個(gè)作用，一是給機(jī)車車軸以一定的重量分配，并使所分配的重量在車輛行經(jīng)不平線路時(shí)不致發(fā)生顯著變化；二是當(dāng)機(jī)車行經(jīng)線路部平順處或因車輪不圓而發(fā)生沖擊時(shí)，其可對機(jī)車所受的沖擊具有一定的減緩作用。因此，彈簧的作用非常重要，同時(shí)也是受力比較復(fù)雜的行走部裝置。V型彈簧三向剛度分析V型彈簧是機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架尤其是高速客車和地鐵轉(zhuǎn)向架普遍采用的關(guān)鍵部件。其三向剛度特性對車輛的運(yùn)行品質(zhì)產(chǎn)生十分重要的影響。V型彈簧是一種“三明治”式的金屬橡膠結(jié)構(gòu)，具有良好的垂向動態(tài)性能，同時(shí)在軸箱懸掛中兼起輪對導(dǎo)向作用，以保證機(jī)車（地鐵）在通過曲線時(shí)，輪對能自行進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)，在直線上又可抑制輪對的蛇行運(yùn)動，防止高速時(shí)不穩(wěn)定運(yùn)行。因此，為減小機(jī)車的動力響應(yīng)，改善結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性指標(biāo)，保持曲線運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要在轉(zhuǎn)向架上裝置V型彈簧，以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的剛度匹配。V型彈簧由橡膠超彈性材料構(gòu)成，具有高度的材料非線性，在工作載荷作用。目前應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式誤差較大，通常是先出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，然后進(jìn)行樣品三向剛度實(shí)驗(yàn)，根據(jù)樣品實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，反復(fù)循環(huán)設(shè)計(jì)修改一樣品實(shí)驗(yàn)，直到設(shè)計(jì)能滿足產(chǎn)品所需技術(shù)要求。ABAQUS軟件強(qiáng)大的非線性分析功能，是橡膠材料有提供了豐富的橡膠材料本構(gòu)，同時(shí)還可以考慮橡膠材料的粘彈性和應(yīng)力軟化等材下變形很大，應(yīng)用小變形線性理論分析無法求解已失去了實(shí)用意義。為確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，具有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件，料行為。同時(shí)，利用借助ABAQUS優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，可以對影響三向剛度因素進(jìn)行參數(shù)化處理。空氣彈非線性有限元分析簧的對空氣彈簧的有限元分析比較復(fù)雜，因?yàn)樯婕傲擞行袨榈南鹉z材料，彈簧的大變形等，并要對空氣彈簧結(jié)果。ABAQUST提供相關(guān)的限元力學(xué)分析中的各類非線性問題，具有強(qiáng)烈非線性中的氣體進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪M，這樣才可能得到有價(jià)值的氣體單元可以對膠囊中的氣體進(jìn)行模擬分析。車體分析車體是容納運(yùn)輸對象的裝置，在整個(gè)車輛的自重中，車體所占的比例最大。在當(dāng)前車輛輕量化、高速化的趨勢中，也是所受影響最大的機(jī)車部分。采用新材料，新工藝對車體實(shí)施輕量化后必須對其強(qiáng)度剛度進(jìn)行評估，以使其在減重的同時(shí)還可以保持同樣或更高的強(qiáng)度。同時(shí)，車輛減重后不可避免地會帶來結(jié)構(gòu)振動,噪聲增加等問題,此時(shí)就要關(guān)注車體動態(tài)特性,要對車體進(jìn)行模態(tài)分析.利用ABAQUS的非線性求解器，可以對工作中存在大變形以及接觸問題的強(qiáng)度剛度問題進(jìn)行快速準(zhǔn)確的計(jì)算。同時(shí)，對于象車體這樣的復(fù)雜的大規(guī)模模型，ABAQUS還提供了子模型分析功能。在進(jìn)行了總體分析以后，可以把自己敢興趣的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，將總體模型中得到的載荷以及邊界條件加到子模型中，進(jìn)行進(jìn)一步的分析。ABAQUS中的Lanczos求解器可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行特征值的提取。圖為上海柴油機(jī)利用ABAQUS的模態(tài)分析功能對某直列六缸發(fā)動機(jī)進(jìn)行有限元分析并于LMS試驗(yàn)機(jī)得到的內(nèi)容相比較由，分析結(jié)果可知，有限元數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果有著很好的吻合。鐵路軌道分析中的應(yīng)用鐵路軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌，彈性扣件，墊層，軌枕，道床和路基等材料組成，是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。從受力角度看，軌道結(jié)構(gòu)承受的是來自機(jī)車三向動荷載，且列車在運(yùn)動過程中除輪軌間存在著巨大的接觸應(yīng)力外，還伴隨著蠕滑現(xiàn)象。在反復(fù)荷載的作用下，鋼軌會產(chǎn)生疲勞損傷、折斷和裂紋；由于溫差的存在，無縫線路會發(fā)生失穩(wěn)，引起脹軌跑道；由于線路的不平順，列車會發(fā)生蛇行運(yùn)動等。從材料角度看，鋼軌在輪軌接觸處，由于存在巨大的接觸應(yīng)力會發(fā)生屈服，在制動力和曲線側(cè)向切削力的作用下又會發(fā)生損傷；作為道床組成材料的石碴，是散體材料，連續(xù)介質(zhì)分析方法難以得到正確的結(jié)果。這一切都說明，傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)分析方法，不能適應(yīng)現(xiàn)代鐵路軌道結(jié)構(gòu)的需要。七十年代以來，由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法越來越廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)際和車輛隨機(jī)的中，使工程中的大量復(fù)雜問題的求解成為可能。輪軌相互接觸應(yīng)力的分析沿鋼軌滾動的車輪，除了引起鋼軌的彎曲應(yīng)力外，還在輪軌接觸點(diǎn)處引起局部的接觸應(yīng)力。當(dāng)車輪的輪箍壓在鋼軌踏面的時(shí)候，二者之間的受壓面積很小，出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中，產(chǎn)生大大超過材料屈服點(diǎn)的接觸應(yīng)力，引起頭部的壓潰，材料流動或形成高低不平的波浪形軌面，而材料較脆的時(shí)候，會產(chǎn)生頭部劈裂和其他種類的鋼軌損傷。ABAQUS具有強(qiáng)大的接觸模擬功能，可以模擬變形體與變形體，剛體與變形體以及變形體自身的接觸。此外，ABAQUS還提供了從有限滑動到小滑動的各種類型的接觸模擬功能。針對工業(yè)中應(yīng)用較多的過盈配合，大滑動，墊片接觸等現(xiàn)象，ABAQUS提供了豐富而強(qiáng)大的功能進(jìn)行處理。此外，在接觸問題的收斂性和精確度方面，ABAQUS提供了強(qiáng)大的功能，新推出的SURFACE-TO-SURFACE的接觸功能，可以準(zhǔn)確而快速的模擬各種接觸問題。輪軌動力學(xué)分析隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路客貨運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)日益繁重。新型機(jī)車車輛的設(shè)計(jì)，制造和線路維護(hù)都需要預(yù)知輪軌之間的動力學(xué)性能特性，將