劉佼龍　楊冠男

摘 要：采用有限元處理軟件HYPERMESH進行建模，采用HyperWorks自帶的大型非線性有限元求解器RADIOSS對此鉸接裝置進行有限元強度分析，校核強度。

關(guān)鍵詞：鉸接裝置；有限元強度分析；非線性理論

1 概述

此鉸接裝置是用于低地板車輛兩模塊之間重要的連接部件。

本次分析根據(jù)產(chǎn)品三維圖和車體載荷輸出，采用目前世界上最通用的有限元處理軟件HYPERMESH進行建模，最后采用HyperWorks自帶的大型非線性有限元求解器RADIOSS進行計算。

建立詳細的有限元模型需要根據(jù)實際情況對實際結(jié)構(gòu)進行必要的簡化，選擇合適的單元，合理模擬實際連接連接情況，下面進行分別討論。

建模過程中對下列問題進行了簡化：圓角、倒角以及工藝凹槽等結(jié)構(gòu)中尺寸相對較小的局部細節(jié)將影網(wǎng)格質(zhì)量，處于低應(yīng)力區(qū)的這些結(jié)構(gòu)細節(jié)予以忽略，高應(yīng)力區(qū)則不能忽略。

單元選擇：該結(jié)構(gòu)件不完全對稱，為了準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的受力情況，取整體結(jié)構(gòu)建立有限元力學(xué)模型。由于鉸接裝置結(jié)構(gòu)件厚度大部分都在4mm以上，厚度較厚，細長處較少，故在建立有限元模型時采用六面體單位CHEXA，該單元上的每個節(jié)點都具有6個自由度，分別為沿節(jié)點坐標(biāo)系X、Y、Z方向的移動和繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動。

2 有限元建模

有限元建模：結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是用來計算結(jié)構(gòu)在固定不變的載荷的作用下的響應(yīng)，也就是由穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變或力，結(jié)構(gòu)靜力分析不考慮慣性和阻尼的影響，但是靜力分析卻可以分析那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響，以及那些可以近似為靜力作用的隨時間變化的載荷。結(jié)構(gòu)靜力分析中，由于只是分析計算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用下的結(jié)構(gòu)或部件的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，因此一般都假定載荷和響應(yīng)固定不變。靜力分析中施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力）和位移載荷等。

第四強度理論認為，單元體的均方根剪應(yīng)力是引起材料屈服破壞的主要因素。鉸接裝置結(jié)構(gòu)的主要是鋼，材料的失效以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志。因此對結(jié)構(gòu)靜強度校核可根據(jù)第四強度理論選擇VON Mises應(yīng)力來判斷結(jié)構(gòu)強度。

有限元模型如圖2所示。

如圖2所示整個固定鉸由5大件構(gòu)成：安裝座1、連接銷、關(guān)節(jié)外圈、關(guān)節(jié)軸、安裝座2，其中安裝座1、安裝座2通過底部8個通用螺栓孔連接在車體壁上，它們之間則通過關(guān)節(jié)軸承與銷連接。每個部件均按照實際情況賦予材料，安裝座與銷均為鍛件，楊氏模量為2.12E5MPa，泊松比為0.28。該材料的屈服強度為930MPa，極限強度為1080MPa。為了保證計算精度，對整個構(gòu)件都按照5mm劃分網(wǎng)格。本次有限元模型總結(jié)點數(shù)為42292個，總單元數(shù)為34890個。

單鉸下部固定鉸載荷，如表1所示。

如表1所示單鉸下部固定鉸共需計算兩種工況。（-為壓力；+為拉力）

建模說明：針對產(chǎn)品實際使用情況，本次分析采用非線性算法進行計算。對安裝座1的8個安裝孔的所有單元進行完全固定，約束單元的6個自由度。對安裝座的2的8個安裝孔只約束住5個自由度，釋放X軸向自由度，也就是能讓安裝座橫向傳遞力給軸承。本次分析共建立了7個非線性接觸連接，用來模擬實際運行時軸承之間、銷與安裝座之間的配合。銷軸與安裝座空位之間采用間隙接觸，關(guān)節(jié)軸承與銷軸之間采用過盈接觸?？紤]到實際使用情況，本次分析在受力底座端面建立RB3剛性單元，對安裝座底部受力端面建立RB3單元進行綁定，然后整體施加力，實際加載情況見圖3、圖4中的靜應(yīng)力云圖。

3 計算結(jié)果

在上述有限元網(wǎng)格、邊界條件和載荷作用下，采用RADIOSSS求解器對結(jié)構(gòu)件兩種工況進行了有限元強度分析，下面展現(xiàn)分析結(jié)果。

序號1工況分析結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可知整個部件的VON Mise應(yīng)力值在序號1工況下最大值為316MPa，最大形變?yōu)?.19mm，形變十分微小且應(yīng)力值遠低于安裝座材料的許用應(yīng)力808MPa，關(guān)節(jié)軸承的許用應(yīng)力700MPa，滿足強度要求。

序號2工況分析結(jié)果，如圖3所示。

由圖4可知整個部件的VON Mise應(yīng)力值在序號2工況下最大值為461MPa，最大形變?yōu)?.28mm，形變十分微小且應(yīng)力值遠低于材料的許用應(yīng)力808MPa，關(guān)節(jié)軸承的許用應(yīng)力700MPa，滿足強度要求。

4 工況分析總結(jié)

綜上所述工況分析可知，在目前的工況下該部件能滿足強度要求，且最大應(yīng)力均發(fā)生在關(guān)節(jié)軸承處。

參考文獻

[1]李敏娟.廣州海珠有軌電車車輛主要技術(shù)特征分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2014（3）.

[2]魏德敏.非線性理論及其引用[M].科學(xué)出版社，2004.

[3]王勖成.有限單元法[M].清華大學(xué)出版社，2003.

作者簡介：劉佼龍（1987-），男，助理工程師，本科，湖南工業(yè)大學(xué)，機械工程及自動化專業(yè)，2010年至今主要從事機械開發(fā)設(shè)計方面的工作。