搜索車輪強度試驗有限元仿真
2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-www.br5w05v.cn 來源:仿真在線
作者: 秦宇 蔡敢為 任延舉 張磊 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 車輪 強度 有限元
利用ANSYS針對慕車輪建立整體有限元模型。模擬車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗。得到車輪應(yīng)力分布圖,并對車輪壽命進(jìn)行預(yù)測。然后對策車輪螺母座剛度試驗進(jìn)行模擬。得到其位移變化以及螺母座局部應(yīng)力分布,最后通過試驗對研究結(jié)果進(jìn)行了驗證,可為各類機車車輪的強度分析方法提供參考。
目前大多數(shù)機車采用剛性車橋,其車輪承擔(dān)整機的重量與各種工作負(fù)荷,同時把路面的工作反力傳遞給車架。車輪還是行走、支承、導(dǎo)向和緩沖的構(gòu)件。車輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對機車能否行駛及行駛性能的好壞有很大的影響。車輛的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,施工條件惡劣,在行駛或作業(yè)過程中振動強烈,不僅降低了機器的使用壽命與工作性能,而且還通過各種途徑傳遞給駕駛?cè)藛T,使駕駛?cè)藛T產(chǎn)生疲勞,而地面不平度的隨機激勵是整機的主要振動源,車輪便是這個振動的直接傳遞者,那么車輪性能的好壞就顯得尤為重要了。本文針對某車輪的強度分析,可以為各類機車上使用的車輪的強度分析方法提供一定的參考。
車輪強度試驗應(yīng)包括動態(tài)彎曲疲勞試驗及車輪螺母座剛度試驗。目前對車輪進(jìn)行強度分析和壽命預(yù)測的主要方法是對車輪鋼圈單獨建模加載分析,這種方法雖然方便、快捷,但忽略了一些重要的影響因素,由于沒有考慮螺栓預(yù)緊力對車輪應(yīng)力分布的影響及法蘭盤對車輪的作用效果,分析結(jié)果往往和車輪的實際情況具有較大的差異。螺栓預(yù)緊力及法蘭盤對車輪應(yīng)力分布又有著舉足輕重的影響。因而在對車輪進(jìn)行強度分析和壽命預(yù)測時一定要考慮這些因素的影響。而對螺母座強度分析,前人方法是對螺母座局部造型,直接表面加載,這樣很難實現(xiàn)與實際受力工況等同,這里模型加入螺母,更好模擬實際情況。
本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對車輪進(jìn)行包括加載軸在內(nèi)的整體有限元建模,并在此模型的基礎(chǔ)上,通過旋轉(zhuǎn)加載模擬車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗,得到車輪應(yīng)力分布圖,分析了車輪的強度情況,預(yù)測了車輪的疲勞壽命;接著建立車輪l,4模型,對車輪螺母座剛度試驗進(jìn)行模擬,從而得到螺母座局部應(yīng)力分布以及位移變化,最后通過實例對研究結(jié)果進(jìn)行了驗證。
1 車輪有限元模型的建立
圖1所示為車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗裝置簡圖。試驗時用卡盤將車輪下緣處固定在旋轉(zhuǎn)體上,即緊固;在加載軸支點處施加徑向載荷,通過力臂對車輪形成彎矩;借助旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)施加動態(tài)彎曲。應(yīng)用ANSYS軟件的相關(guān)功能,可建立包括加載軸與連接螺栓在內(nèi)的車輪臺架整體有限元模型。如圖2所示。
圖1動態(tài)彎曲疲勞試驗方法
圖2車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗臺架整體模型
對于螺母座剛度試驗,采用緊固力矩法,圖3所示為試驗裝置簡圖。試驗時車輪固定在試驗平臺上,對任意一個螺母用力矩扳手加載,施加緊固力矩為30N·m→100N·m→oN·m→30N·m的載荷歷程。研究對象為螺母座,基于車輪在幾何形狀及載荷上的特點,為減小計算規(guī)模、節(jié)省計算時間,按前后左右對稱取1/4。由于緊固力矩需要施加到螺母上,還要對螺母建模。通風(fēng)孔等存在與否對位移幾乎沒有影響,可以將其省略?？梢詫⒛Ｐ瓦M(jìn)行必要簡化,如圖4所示。
圖3車輪螺母座試驗
圖4車輪螺母座有限元模型
2 車輪有限元模型邊界條件和加載方式
車輪有限元模型邊界約束條件及力的加載方式對車輪的強度分析和壽命預(yù)測結(jié)果的精度影響極大。因而選取適當(dāng)?shù)能囕営邢拊Ｐ瓦吔缂s束條件及力的加載方式是十分重要的。
對動態(tài)彎曲疲勞試驗,根據(jù)試驗條件可知,試驗中力的加載位置有三處:一是車輪輪輞邊緣,施加的是固定載荷約束;二是螺栓孔,通過螺母螺栓施加預(yù)緊力;三是加載軸端,在支點處施加徑向載荷。
根據(jù)彎曲疲勞試驗方法,這里在車輪輪緣施加(All DOF)約束,即所有六個自由度全約束,作為固定約束;在螺栓連接處施加預(yù)緊力;在加載軸端面施加一徑向力,形成彎矩。
對于螺母座剛度試驗,采用緊固力矩法對任意—個螺母用力矩扳手施加緊固力矩為30N.m→100N.m→oN·m→30N.m歷程時,軸向位移不能大于0.3mm。在前處理過程中,由于螺母螺栓材料特殊,在受力時是基本不會產(chǎn)生變形的,所以我們利用節(jié)點自由度耦合來處理螺母。在輪輻下表面與法蘭盤接觸區(qū)域,設(shè)置接觸對與摩擦來接近真實工作情況。根據(jù)實際試驗的邊界和載荷條件,對1/4車輪有限元模型的截面施加對稱約束,輪輻安裝面端與法蘭接觸區(qū)域施加軸向的單向約束。將緊固力矩轉(zhuǎn)換為軸向力施加在螺母端面,載荷歷程采用斜坡和階梯交替的八個載荷步來實現(xiàn),有利于計算順利收斂。
3 有限元計算結(jié)果分析
應(yīng)用ANSYS軟件對彎曲疲勞試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析求解,得到圖5所示的整體模型在彎曲作用下的應(yīng)力大小及分布情況。由于實際試驗是動態(tài)旋轉(zhuǎn)的,將車輪模型以一定角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn),并重新加載、求解。這樣便可以知道在動態(tài)旋轉(zhuǎn)過程中,不同時刻、不同載荷方向時鋼圈最大應(yīng)力位置。
圖5車輪動態(tài)彎曲疲勞FEA結(jié)果圖
通過仿真計算可知,車輪的最大應(yīng)力為:or max=208MPa。根據(jù)材料學(xué)知識可知,出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置即為最容易產(chǎn)生裂紋的位置,通過對仿真分析結(jié)果和試驗結(jié)果進(jìn)行分析對比可以發(fā)現(xiàn),仿真分析結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合,說明仿真分析結(jié)果是合理的。
由于車輪是在等幅載荷作用下進(jìn)行試驗的,因而可采用名義應(yīng)力法對車輪疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。通過名義應(yīng)力法分析計算,得到車輪壽命為7.9萬次。
圖6為與仿真分析時具有相同車輪型號、結(jié)構(gòu)尺寸及相同加載條件下所得到的車輪動態(tài)彎曲疲勞壽命統(tǒng)計圖。從圖6中可以看出,試驗所得車輪鋼圈壽命在6.5萬次左右,與仿真分析所得到的疲勞壽命基本吻合。說明仿真分析結(jié)果是合理的。
圖6車輪動態(tài)彎曲疲勞壽命
對螺母座剛度試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析求解,得到螺母座各個時段位移的FEA結(jié)果,如圖7所示,螺母座的永久變形量(即軸向位移)為0.095 mm≤0.3mm,滿足螺母座剛度試驗要求。實際試驗變形為0.1mm,在誤差范圍內(nèi)可接受。
圖7螺母座剛度FEA結(jié)果圖
4結(jié)論
(1)動態(tài)彎曲疲勞試驗建立的車輪有限元仿真模型,完全按照實物建模,沒有簡化近似處理。用旋轉(zhuǎn)加載近似模擬車輪彎曲疲勞實驗臺架的工作情況,影響因素考慮比較全面。仿真的危險點位置與試驗裂紋出現(xiàn)區(qū)域一致,說明用仿真分析方法確定疲勞裂紋易發(fā)區(qū)域是有效的。
(2)通過螺母座位移FEA與實際試驗結(jié)果相對比,兩者的誤差在一定的系數(shù)范圍內(nèi),具有一定指導(dǎo)意義。對螺母座剛度的分析,得出螺母座的參數(shù)結(jié)構(gòu)是可行的,能保證剛度要求。
(3)從ANSYS后處理模塊中可以直觀地看到車輪受力后的變形、位移和應(yīng)力分布,因此可以快速準(zhǔn)確地得到整個車輪的基本力學(xué)特性;本文的研究工作為其它車輪的強度分析及壽命預(yù)測具有一定的參考價值。
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