李穩(wěn)迪，施偉辰

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基于ANSYS Workbench的接觸網(wǎng)作業(yè)梯車結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化研究

李穩(wěn)迪，施偉辰

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

文章通過(guò)三維軟件SolidWorks建立了接觸網(wǎng)作業(yè)梯車模型，導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS Workbench中分別進(jìn)行了靜力學(xué)、模態(tài)和線性屈曲分析，得到其應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、固有頻率和振型大小以及屈曲穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該梯車模型的關(guān)鍵部位作了優(yōu)化，降低整體質(zhì)量，從而達(dá)到輕量化的目的。

接觸網(wǎng)梯車；ANSYS；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；輕量化

引言

蒸汽牽引、內(nèi)燃牽引和電力牽引是目前我國(guó)鐵路運(yùn)輸牽引動(dòng)力的三種形式。其中，以電力牽引為主要牽引方式的干線鐵路被稱為電氣化鐵路。1961年8月15日寶成鐵路寶雞—鳳州段的通車，標(biāo)志著中國(guó)第一條電氣化鐵路的勝利建成[1]。改革開(kāi)放40年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電氣化鐵路也取得了巨大的成就，不僅在總里程上躍升世界前列，而且在技術(shù)水平和施工質(zhì)量方面均已達(dá)到世界先進(jìn)水平。接觸網(wǎng)作業(yè)梯車作為電氣化鐵路接觸網(wǎng)日常維護(hù)、檢修、事故搶修和電氣化鐵路施工的重要工具，其運(yùn)行和作業(yè)的安全不僅與車輛本身有關(guān)，而且還影響整個(gè)線路的正常運(yùn)行，因此保障接觸網(wǎng)作業(yè)梯車的安全穩(wěn)定運(yùn)行是維護(hù)電氣化鐵路正常運(yùn)行的重中之重。

1 接觸網(wǎng)梯車的靜力學(xué)分析

1.1 三維實(shí)體模型的建立

利用SolidWorks軟件創(chuàng)建接觸網(wǎng)工作梯車的三維實(shí)體模型，如圖1所示。該梯車結(jié)構(gòu)包括由兩根橫梁、兩根縱梁和四個(gè)車輪組成的四邊形底盤(pán)、四根側(cè)支撐桿、四根主桿以及沿主桿兩側(cè)平均分布的十四根踏桿和安裝在主桿頂部的工作臺(tái)。梯車底盤(pán)長(zhǎng)2416㎜，寬1435毫米，工作臺(tái)高度距離軌面4482㎜。

圖1 梯車模型

接著，將建立好的接觸網(wǎng)作業(yè)梯車三維實(shí)體模型保存為IGS格式，導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，研究其應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。

1.2 有限元模型的建立

傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)作業(yè)梯車采用鋼材質(zhì)，整體質(zhì)量重，不易搬運(yùn)。與鋼材相比，鋁合金材料具有自重輕、耐腐蝕、強(qiáng)度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但由于彈性模量太小，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形和穩(wěn)定問(wèn)題也會(huì)更突出，故梯腿、踏桿部分采用鋁合金材料，而主要受力部件如工作臺(tái)、底盤(pán)部分的材質(zhì)則保持不變。參數(shù)信息如表1所示。

實(shí)體單元可以準(zhǔn)確地模擬梯身?xiàng)U件接頭處的應(yīng)力分布，還能滿足對(duì)梯車實(shí)際工作狀態(tài)精確模擬的要求。因此，為了提高計(jì)算結(jié)果的精確度，減小誤差，使用三維實(shí)體單元Solid186進(jìn)行有限元建模。網(wǎng)格大小設(shè)為30㎜，共劃分單元225205個(gè)，節(jié)點(diǎn)574710個(gè)。

表1 材料參數(shù)

1.3 載荷施加

接觸網(wǎng)作業(yè)梯車模型中的主要約束問(wèn)題是底架車輪的處理。選中輪轂部分，約束其所有6個(gè)自由度。

根據(jù)接觸網(wǎng)梯車實(shí)際作業(yè)時(shí)的情況，考慮工作臺(tái)踏板所受的最大集中載荷為2000N，方向豎直向下。其自重通過(guò)定義豎直向下的重力加速度自動(dòng)得到。

1.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算得到，該梯車結(jié)構(gòu)在靜載作用下的應(yīng)力分布和變形情況分別如圖2、3所示。

圖2 應(yīng)力云圖

圖3 變形云圖

最大等效應(yīng)力發(fā)生在工作臺(tái)側(cè)部連接桿下端的螺栓頭位置，大小為169.49Mpa，即

其中，1.5為安全系數(shù)。因此該梯車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是完全滿足要求的，并且還有一定的優(yōu)化空間。

2 模態(tài)分析

通過(guò)模態(tài)分析可以計(jì)算出梯車的固有頻率和固有振型，使各主要部件盡可能避開(kāi)外界激擾產(chǎn)生的頻率范圍，并充分考慮各階模態(tài)所帶來(lái)的影響，從而保證梯車具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性[2]。由于靜力學(xué)分析過(guò)程中對(duì)底盤(pán)車輪添加了固定約束，所以本章研究的模態(tài)為約束模態(tài)。表2為提取的前十階固有頻率，圖4是四個(gè)典型的振型圖。

表2 梯車結(jié)構(gòu)前十階固有頻率

人在工作臺(tái)上行走會(huì)對(duì)梯車結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)。經(jīng)調(diào)查，行人的正常行走步頻介于1.6Hz（慢走）和2.4Hz（快走）之間[3]，第一階固有頻率為4.0159Hz，高于外界激勵(lì)頻率，所以不會(huì)發(fā)生明顯的共振現(xiàn)象。

通過(guò)模態(tài)分析的結(jié)果可以看出，梯車的固有頻率比較低。前四階振型為整體振型，變形量不是很大。但從第五階起局部振幅開(kāi)始增大，最大變形量也突增，這表明該梯車結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度較低，所以有必要對(duì)其上、下四個(gè)側(cè)支撐桿壁厚進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

3 接觸網(wǎng)梯車的屈曲分析

本章采用線性屈曲分析方法，得到其臨界載荷系數(shù)和屈曲振型，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及容易發(fā)生失穩(wěn)的區(qū)域，最終得出梯車的優(yōu)化方案。提取前十階的臨界載荷系數(shù)和模態(tài)振型，如表3所示。

表3 屈曲分析前十階臨界載荷系數(shù)

梯車結(jié)構(gòu)的屈曲振型圖如圖5所示?？梢钥闯觯鞍穗A屈曲變形都是發(fā)生在梯車各主桿位置處，且均為局部變形。由表5-1，得出其臨界失穩(wěn)載荷為115197N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所施加的初始載荷，說(shuō)明梯車結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，即梯車首先是因強(qiáng)度不足導(dǎo)致的破壞。于是在對(duì)薄弱部位進(jìn)行優(yōu)化時(shí)通過(guò)適當(dāng)加大壁厚就可以明顯改善。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的提出

根據(jù)梯車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其受力特點(diǎn)，同時(shí)考慮到整體重量以及工藝上實(shí)現(xiàn)的可能性，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，提出下列優(yōu)化方案：

梯車上、下部分四根側(cè)支撐桿的壁厚增加1㎜；

梯身各主桿的壁厚增加1㎜。

4.2 優(yōu)化后的梯車結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

根據(jù)ANSYS Workbench中靜力學(xué)分析步驟，對(duì)優(yōu)化后的梯車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，分別得到其應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，如圖6、7所示。并與原結(jié)構(gòu)做了對(duì)比，如表4。

圖6 應(yīng)力云圖

圖7 變形云圖

表4 優(yōu)化后的梯車結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)比較

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得梯車結(jié)構(gòu)的質(zhì)量由原來(lái)的260.19kg變?yōu)?91.46kg，減少了26%；最大應(yīng)力值由原來(lái)的169.49MPa變?yōu)?36.11MPa，減少了20%；最大變形量值由原來(lái)的1.1019mm變?yōu)?.0751mm，減少了2.4%。由此可知，優(yōu)化后的梯車結(jié)構(gòu)質(zhì)量得到了減輕，并且其力學(xué)性能也有所改善。

4.3 優(yōu)化后的梯車結(jié)構(gòu)屈曲分析

表5 優(yōu)化后的梯車結(jié)構(gòu)屈曲分析前十階臨界載荷系數(shù)

通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)作業(yè)梯車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，各支撐桿及其連接的螺栓大小均有所改變，其穩(wěn)定性也必將發(fā)生變化。一旦失穩(wěn)，即使受到一個(gè)非常小的外力作用，都有可能造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。

因此在滿足靜強(qiáng)度和靜剛度的前提下，還需要對(duì)新模型進(jìn)行屈曲分析，以驗(yàn)證優(yōu)化后梯車結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)的前十階臨界載荷系數(shù)和模態(tài)振型，如表5所示。并與原結(jié)構(gòu)的臨界載荷系數(shù)做了對(duì)比，如圖8。

由上圖可知，優(yōu)化后的梯車結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，臨界載荷系數(shù)增加了57%左右，證明該結(jié)構(gòu)的抗屈曲能力更強(qiáng)。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)作業(yè)梯車的實(shí)際工作狀態(tài)分別進(jìn)行了靜力學(xué)、模態(tài)和線性屈曲分析，得到其應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、固有頻率和振型大小以及屈曲穩(wěn)定性，確定結(jié)構(gòu)中各主桿以及側(cè)支撐桿為薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

根據(jù)接觸網(wǎng)作業(yè)梯車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其受力特點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵部位做了優(yōu)化并進(jìn)行了驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的梯車結(jié)構(gòu)不僅在外觀質(zhì)量上由原來(lái)的260.19kg變?yōu)?91.46kg，減少了26%；最大應(yīng)力值和最大變形量也分別減少了20%和2.4%，其抵抗強(qiáng)度破壞和彎曲變形的能力均得到改善。

[1] 江凡.我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)的回顧[J].鐵道工程學(xué)報(bào),1992,9(1): 17-23.

[2] 楊偉東.CRH2-300型動(dòng)車組構(gòu)架結(jié)構(gòu)建模與動(dòng)力學(xué)分析[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2010.

[3] 孫利民,閆興飛.人行橋人行激勵(lì)振動(dòng)及設(shè)計(jì)方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2004,32(8): 996-999.

Structure optimization and lightweight research of the overhead contact line ladder carbased on ANSYS Workbench

Li Wendi, Shi Weichen

( Shanghai Maritime University, Shanghai 201306 )

In this paper, the contact network ladder car model, which established by the three-dimensional software SolidWorks, is imported into ANSYS Workbench to analyze its statics, modes, buckling, and obtained the distribution of stress and strain, natural frequency and mode size, and buckling stability. Based on these results, the key parts are re-optimized so as to realize the purpose of lightweight.

the contact network ladder car; ANSYS; finite element analysis; structural optimization; lightweight

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1671-7988(2018)16-67-04

U463.32

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1671-7988(2018)16-67-04

CLC NO.:U463.32

李穩(wěn)迪，就讀于上海海事大學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.024