基于ANSYS-Workbench的磁浮列車懸浮架結(jié)構(gòu)計算明書

基于ANSYSWorkbench的磁浮車懸浮架結(jié)構(gòu)計算說明書

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u目錄 21概述 12新型磁浮列車懸浮架主要參數(shù) 12.1 主要設(shè)計參數(shù) 12.2 主要驗算項目、方法和目的 23有限元建模與分析 23.1 有限元模型 23.2 工況及計算載荷 43.3 載荷和約束的施加 44計算結(jié)果與分析 54.1 靜剛度分析 54.2 強(qiáng)度分析 75結(jié)論 86參考書目 9概述中低速磁懸浮列車是居于國內(nèi)領(lǐng)先地位的實際工程項目，對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算分析是必須開展的工作。磁懸浮列車懸浮架就是磁懸浮列車上非常重要的部件之一。由于磁浮列車是懸浮運行的，其對整個結(jié)構(gòu)的重量就有嚴(yán)格的要求，因此對于磁懸浮列車轉(zhuǎn)向架在滿足強(qiáng)度要求的前提下，還必須盡量減輕其自身的重量。為解決強(qiáng)度要求和重量要求這一對矛盾，因此必須對懸浮架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算分析，從而合理確定轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，對局部結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)意見。磁浮列車的工作原理是：列車依靠電磁鐵產(chǎn)生的電磁力懸浮在軌道上面，實現(xiàn)無接觸運行和導(dǎo)向。列車垂直懸浮距離約8毫米，控制單元通過檢測列車與軌道的相對距離，通過一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)整電磁力大小，使列車保持穩(wěn)定的懸浮距離。磁浮列車懸浮時對懸浮間隙有著嚴(yán)格的要求，因此懸浮架的變形將對懸浮間隙產(chǎn)生較大影響。當(dāng)懸浮架剛度不夠時會產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致控制單元檢測到的相對位置信號不斷變化，控制單元需要不斷改變電流，對電磁力的大小進(jìn)行調(diào)整，從而引起列車的振動。這里用ANSYSWorkbench軟件對懸浮架進(jìn)行計算，獲得了懸浮架在不同工況下的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，檢驗其是否滿足要求。本文研究的是一種新型懸浮導(dǎo)向牽引集成系統(tǒng)，磁懸浮列車懸浮架總成由兩個轉(zhuǎn)向架模塊組成。轉(zhuǎn)向架模塊由托臂、支腿、上縱梁和下縱梁組成。托臂和支腿均采用ZL101A鋁合金，下縱梁采用6061（T6）鋁合金，上縱梁采用Q235A碳鋼，焊接而成。電磁鐵總成安裝在下縱梁上，托臂通過空氣彈簧與車體連接。新型磁浮列車懸浮架主要參數(shù)主要設(shè)計參數(shù)新型懸浮導(dǎo)向列車懸浮架總成主要參數(shù)如圖2.1-1所示：圖2.1-1新型懸浮導(dǎo)向列車懸浮架總成主要參數(shù)主要驗算項目、方法和目的1）懸浮架剛度依據(jù)新型懸浮導(dǎo)向列車懸浮架總成圖紙，利用Solidworks構(gòu)建新型懸浮導(dǎo)向牽引集成系統(tǒng)懸浮架三維模型，然后利用ANSYSWorkbench無縫對接技術(shù)導(dǎo)入到AWB中進(jìn)行有限元分析，通過分析驗算軌道結(jié)構(gòu)的剛度。2）懸浮架強(qiáng)度依據(jù)新型懸浮導(dǎo)向列車懸浮架總成圖紙，利用Solidworks構(gòu)建新型懸浮導(dǎo)向牽引集成系統(tǒng)懸浮架三維模型，然后利用ANSYSWorkbench無縫對接技術(shù)導(dǎo)入到AWB中進(jìn)行有限元分析，通過分析驗算軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。有限元建模與分析有限元模型有限元建模的原則是既準(zhǔn)確仿真結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，又盡可能使模型簡單。在建立軌道模型時，嚴(yán)格遵守準(zhǔn)確和簡單的原則對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，模型的主要尺寸和實際結(jié)構(gòu)相同，但簡化了部分工藝結(jié)構(gòu)和電氣安裝結(jié)構(gòu)。由于懸浮架總成左右對稱，所以去模型的一半進(jìn)行建模，建模時忽略各個部件的聯(lián)接的螺栓，以及對整體結(jié)構(gòu)影響不大的緊急滑撬裝置、支撐輪裝置、傳感器裝置以及牽引座，采用Solidworks實體建模如圖3.1-1所示，然后采用ANSYSWorkbench無縫對接技術(shù)導(dǎo)入到AWB中進(jìn)行有限元分析，導(dǎo)入到AWB中的模型如圖3.1-2，劃分網(wǎng)格后其有限元模型如圖3.1-3所示。圖3.1-1新型懸浮導(dǎo)向列車懸浮架Solidworks模型圖3.1-2導(dǎo)入到AWB后的懸浮架模型圖3.1-3AWB網(wǎng)格劃分后的懸浮架有限元模型工況及計算載荷由于目前尚沒有關(guān)于磁懸浮列車轉(zhuǎn)向架的計算規(guī)范，因此通過分析磁懸浮列車的實際工作情況，并參考其它有軌車輛轉(zhuǎn)向架的計算方法，確定了磁懸浮列車轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度計算的各個工況。工況一：列車處于懸浮狀態(tài)，懸浮架所受載荷有懸浮架自重以及承受車體重量（車體總重，由于是三轉(zhuǎn)向架聯(lián)接而成，并且模型只是整體轉(zhuǎn)向架的一半，所以車體重量為，為簡化計算，估計為）。工況二：列車處于剎車狀態(tài),懸浮架所受載荷有懸浮架自重以及空氣彈簧上自重。工況二：列車處于停車狀態(tài),懸浮架所受載荷有懸浮架自重以及空氣彈簧上自重。載荷和約束的施加對于工況一，載荷加載在托臂的空氣彈簧坑里，對下縱梁的上表面進(jìn)行全約束，如圖3.3-1所示；對于工況二，載荷加載在托臂的空氣彈簧坑里，對托臂的與緊急滑撬的安裝底面進(jìn)行全約束，如圖3.3-2所示；對于工況三，載荷加載在托臂的空氣彈簧坑里，對托臂的與支撐輪面的安裝面進(jìn)行全約束，如圖3.3-3所示。圖3.3-1工況一載荷和約束的施加圖3.3-2工況二載荷和約束的施加圖3.3-3工況三載荷和約束的施加計算結(jié)果與分析靜剛度分析工況一垂直方向靜位移等值線圖如圖4.1-1所示，圖中最大位移在托臂空簧側(cè)，其值為。4.1-1工況一垂直方向位移等值線圖工況二垂直方向靜位移等值線圖如圖4.1-2所示，圖中最大位移在托臂空簧側(cè)，其值為。4.1-2工況二垂直方向位移等值線圖工況三垂直方向靜位移等值線圖如圖4.1-3所示，圖中最大變形位移在托臂空簧側(cè)，其值為。4.1-3工況三垂直方向位移等值線圖由上述變形圖，靜剛度有限元計算結(jié)果見表4-1所示。表4-1垂直方向靜剛度分析有限元計算結(jié)果工況變形位置計算結(jié)果工況一托臂空簧側(cè)工況二托臂空簧側(cè)工況三托臂空簧側(cè)通過對以上數(shù)據(jù)分析可以得出，轉(zhuǎn)向架的這種微小變形對軌道電磁鐵與軌道的懸浮間隙影響不大，剛度滿足要求。強(qiáng)度分析工況一應(yīng)力等值線圖如圖4.2-1所示，圖中最大應(yīng)力在上縱梁側(cè)，其值為。4.2-1工況一應(yīng)力等值線圖工況二應(yīng)力等值線圖如圖4.2-2所示，圖中最大應(yīng)力在托臂空簧側(cè)，其值為。4.2-2工況二應(yīng)力等值線圖工況三應(yīng)力等值線圖如圖4.2-3所示，圖中最大應(yīng)力在托臂靠近上縱梁側(cè)，其值為。4.2-3工況三應(yīng)力等值線圖由上述變形圖，強(qiáng)度有限元計算結(jié)果見表4-2所示。表4-2強(qiáng)度分析有限元計算結(jié)果工況最大應(yīng)力位置計算結(jié)果工況一上縱梁側(cè)工況二托臂空簧側(cè)工況三托臂靠近上縱梁側(cè)通過對以上數(shù)據(jù)分析可以得出：（1）對于工況一，上縱梁的材料是鋼，其屈服極限為，由云圖可知，其最大應(yīng)力值為，位于上縱梁側(cè)，其余位置應(yīng)力都較小且比較均勻。因此工況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滿足靜強(qiáng)度要求。（2）對于工況二，托臂的材料是鋁合金，其屈服極限為，由云圖可知，其最大應(yīng)力值為，位于托臂空簧側(cè)，其余位置應(yīng)力都較小且比較均勻。因此工況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滿足靜強(qiáng)度要求。（3）對于工況三，托臂的材料是鋁合金，其屈服極限為.，由云圖可知，其最大應(yīng)力值為，位于上縱梁側(cè)，其余位置應(yīng)力都較小且比較均勻。因此工況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滿足靜強(qiáng)度要求。結(jié)論通過對新型懸浮列車懸浮架的有限元分析，結(jié)果表明為該車設(shè)計的懸浮架在機(jī)械性能方面滿足設(shè)計要求，懸浮架有足夠的剛性和強(qiáng)度承載整個列車。對轉(zhuǎn)向架的靜剛度分析得出，其在三種工況下的微小變形對軌道電磁鐵與軌道的懸浮間隙影響不大，剛度滿足要求；對轉(zhuǎn)向架的強(qiáng)度分析得出，其在三種工況下的強(qiáng)度滿足材料要求，并且對材料而言有很大富余，可以對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。磁浮列車作為一種新型的運載工具，其前景非常美好，但在實用化之前還有許多工作要做，就懸浮架設(shè)計這部分而言，有必要對目前這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使整個懸浮架的應(yīng)力分布更為合理、科學(xué)，提高材料的利用率。參考書目[1]任治軍，趙志蘇.中低速磁浮列車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析.機(jī)械工程師，2005[2]楊磊，趙