基于ANSYS-Workbench的磁浮列車(chē)懸浮架結(jié)構(gòu)計(jì)算明書(shū)

基于ANSYSWorkbench的磁浮車(chē)懸浮架結(jié)構(gòu)計(jì)算說(shuō)明書(shū)

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u目錄 21概述 12新型磁浮列車(chē)懸浮架主要參數(shù) 12.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 12.2 主要驗(yàn)算項(xiàng)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(jì)算載荷 43.3 載荷和約束的施加 44計(jì)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(shū)目 9概述中低速磁懸浮列車(chē)是居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位的實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析是必須開(kāi)展的工作。磁懸浮列車(chē)懸浮架就是磁懸浮列車(chē)上非常重要的部件之一。由于磁浮列車(chē)是懸浮運(yùn)行的，其對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量就有嚴(yán)格的要求，因此對(duì)于磁懸浮列車(chē)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(duì)矛盾，因此必須對(duì)懸浮架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算分析，從而合理確定轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，對(duì)局部結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)意見(jiàn)。磁浮列車(chē)的工作原理是：列車(chē)依靠電磁鐵產(chǎn)生的電磁力懸浮在軌道上面，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸運(yùn)行和導(dǎo)向。列車(chē)垂直懸浮距離約8毫米，控制單元通過(guò)檢測(cè)列車(chē)與軌道的相對(duì)距離，通過(guò)一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)整電磁力大小，使列車(chē)保持穩(wěn)定的懸浮距離。磁浮列車(chē)懸浮時(shí)對(duì)懸浮間隙有著嚴(yán)格的要求，因此懸浮架的變形將對(duì)懸浮間隙產(chǎn)生較大影響。當(dāng)懸浮架剛度不夠時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致控制單元檢測(cè)到的相對(duì)位置信號(hào)不斷變化，控制單元需要不斷改變電流，對(duì)電磁力的大小進(jìn)行調(diào)整，從而引起列車(chē)的振動(dòng)。這里用ANSYSWorkbench軟件對(duì)懸浮架進(jìn)行計(jì)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(yàn)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(chē)懸浮架總成由兩個(gè)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(guò)空氣彈簧與車(chē)體連接。新型磁浮列車(chē)懸浮架主要參數(shù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)新型懸浮導(dǎo)向列車(chē)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(chē)懸浮架總成主要參數(shù)主要驗(yàn)算項(xiàng)目、方法和目的1）懸浮架剛度依據(jù)新型懸浮導(dǎo)向列車(chē)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(wú)縫對(duì)接技術(shù)導(dǎo)入到AWB中進(jìn)行有限元分析，通過(guò)分析驗(yàn)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(chē)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(wú)縫對(duì)接技術(shù)導(dǎo)入到AWB中進(jìn)行有限元分析，通過(guò)分析驗(yàn)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(jiǎn)單。在建立軌道模型時(shí)，嚴(yán)格遵守準(zhǔn)確和簡(jiǎn)單的原則對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型的主要尺寸和實(shí)際結(jié)構(gòu)相同，但簡(jiǎn)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(duì)稱(chēng)，所以去模型的一半進(jìn)行建模，建模時(shí)忽略各個(gè)部件的聯(lián)接的螺栓，以及對(duì)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(shí)體建模如圖3.1-1所示，然后采用ANSYSWorkbench無(wú)縫對(duì)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(chē)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(jì)算載荷由于目前尚沒(méi)有關(guān)于磁懸浮列車(chē)轉(zhuǎn)向架的計(jì)算規(guī)范，因此通過(guò)分析磁懸浮列車(chē)的實(shí)際工作情況，并參考其它有軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的計(jì)算方法，確定了磁懸浮列車(chē)轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度計(jì)算的各個(gè)工況。工況一：列車(chē)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(chē)體重量（車(chē)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(chē)體重量為，為簡(jiǎn)化計(jì)算，估計(jì)為）。工況二：列車(chē)處于剎車(chē)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(chē)處于停車(chē)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(duì)于工況一，載荷加載在托臂的空氣彈簧坑里，對(duì)下縱梁的上表面進(jìn)行全約束，如圖3.3-1所示；對(duì)于工況二，載荷加載在托臂的空氣彈簧坑里，對(duì)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(duì)于工況三，載荷加載在托臂的空氣彈簧坑里，對(duì)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(jì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4-1所示。表4-1垂直方向靜剛度分析有限元計(jì)算結(jié)果工況變形位置計(jì)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(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)分析可以得出，轉(zhuǎn)向架的這種微小變形對(duì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4-2所示。表4-2強(qiáng)度分析有限元計(jì)算結(jié)果工況最大應(yīng)力位置計(jì)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(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)分析可以得出：（1）對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)對(duì)新型懸浮列車(chē)懸浮架的有限元分析，結(jié)果表明為該車(chē)設(shè)計(jì)的懸浮架在機(jī)械性能方面滿足設(shè)計(jì)要求，懸浮架有足夠的剛性和強(qiáng)度承載整個(gè)列車(chē)。對(duì)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(duì)軌道電磁鐵與軌道的懸浮間隙影響不大，剛度滿足要求；對(duì)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(duì)材料而言有很大富余，可以對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。磁浮列車(chē)作為一種新型的運(yùn)載工具，其前景非常美好，但在實(shí)用化之前還有許多工作要做，就懸浮架設(shè)計(jì)這部分而言，有必要對(duì)目前這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使整個(gè)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(shū)目[1]任治軍，趙志蘇.中低速磁浮列車(chē)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析.機(jī)械工程師，2005[2]楊磊，趙