基于workbench 分析的軸箱體局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周 莉

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海201804;2.株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

軸箱裝置的作用是，將輪對和側(cè)架或構(gòu)架聯(lián)系在一起，使輪對沿鋼軌的滾動轉(zhuǎn)化為車體沿線路的平動;承受車輛的重量，傳遞各方向的作用力;通過固定在軸箱體上的軸箱外端蓋固定如傳感器、接地裝置等各種附屬裝置。馬來西亞安邦線軸箱體三維模型如圖1 所示。參照以往的土耳其伊茲密爾項(xiàng)目軸箱體，為了降低軸箱體所受的應(yīng)力，在軸箱體底板與軸承安裝孔之間設(shè)置了加強(qiáng)筋，增設(shè)加強(qiáng)筋雖有利于改善軸箱體關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，但也帶來了鑄造困難與增加軸箱體重量等一些問題。因此，有必要通過有限元分析來評估加強(qiáng)筋對軸箱體關(guān)鍵受力區(qū)域的影響，進(jìn)而決定在實(shí)際生產(chǎn)過程中是否應(yīng)在軸箱體中部增設(shè)加強(qiáng)筋。

圖1 馬來西亞安邦線軸箱體三維模型

1 計(jì)算模型建立

利用ANSYS workbench 對軸箱體進(jìn)行有限元分析，在本次仿真分析中，根據(jù)本軸箱體安裝使用的特點(diǎn)，在軸箱軸承安裝孔內(nèi)以軸承載荷的形式施加垂向載荷和縱向載荷。其中垂向載荷沿w 軸正向，大小經(jīng)計(jì)算為88 396 N，縱向載荷沿x 軸正向方向，大小經(jīng)計(jì)算為49 980 N;在軸承安裝孔側(cè)面施加橫向載荷，橫向載荷沿v 軸負(fù)向方向，大小經(jīng)計(jì)算為49 200 N;在軸箱體的一系簧安裝座表面施加垂向彈簧支撐，一系簧安裝孔內(nèi)施加縱向和橫向彈簧支撐，具體如圖1 所示。軸箱體有限元模型采用四面體進(jìn)行修復(fù)網(wǎng)格劃分，共有約300 000 個網(wǎng)格單元、450 000個節(jié)點(diǎn)，如圖2 所示。

2 計(jì)算結(jié)果

通過ANSYS workbench 計(jì)算軸箱體的 von-mises 應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。圖3(a)為增設(shè)加強(qiáng)筋后的軸箱體應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，軸箱體所受最大von-mises 應(yīng)力為159.48 MPa;圖3(b)為不設(shè)加強(qiáng)筋的軸箱體應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，軸箱體所受最大von-mises 應(yīng)力為172.22 MPa;取消加強(qiáng)筋使軸箱體的最大應(yīng)力增大了12.74 MPa。在本項(xiàng)目中，增設(shè)加強(qiáng)筋將使軸箱體的重量增加約1.3 kg。

圖2 軸箱體網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖3 軸箱體應(yīng)力計(jì)算云圖

將計(jì)算后軸箱體進(jìn)行相應(yīng)處理可以看到加強(qiáng)筋的應(yīng)力分布狀態(tài)，從圖4 可以看出，加強(qiáng)筋的大部分區(qū)域所受的應(yīng)力均較小，在17.762 MPa 以下，由此可見，此加強(qiáng)筋發(fā)揮的效用較為有限。

圖4 加強(qiáng)筋應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)果分析

(1)取消加強(qiáng)筋后，軸箱體的最大應(yīng)力從159.48 MPa 增大為 172.22 MPa。

(2)軸箱體的材料為C 級鋼，C 級鋼的抗拉強(qiáng)度 σb=620 MPa，在超常載荷作用下，取安全系數(shù)S =2，則許用應(yīng)力［σp］=310 MPa。由此可見，軸箱體在未使用加強(qiáng)筋的條件下也滿足許用強(qiáng)度條件。

(3)增設(shè)加強(qiáng)筋將使軸箱增重約1.3 kg，此外，增設(shè)加強(qiáng)筋也增加了制造成本，對鑄造工藝也提出了更高的要求;未設(shè)加強(qiáng)筋的軸箱體最大應(yīng)力小于C 級鋼許用應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)時可取消此加強(qiáng)筋。

［1］嚴(yán)雋耄.車輛工程［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］李志君，許留旺.材料力學(xué)簡明教程［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1998.