轨道衡结构件有限元分析

　　摘要：采用Pro/E建立轨道衡沟槽及其盖板的三维模型，通过IGES中间文件将模型导入ANSYS中，基于沟槽盖板的受载特点，利用ANSYS11.0大型通用有限元软件建立支撑面约束条件下盖板的有限元力学模型，并进行应力分析，从而获得在外载荷作用下沟槽盖板的应力分布规律和变形规律，计算结果可用于修正设计，提高轨道衡盖板的可靠性，为该类零件的结构优化提供数据支撑。

　　关键词：轨道衡盖板；Pro/E；ANSYS；有限元分析

　　中图分类号：O212.6文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）1120192－02

　　0前言

　　在经济高速增长的背景下，我国港口正处于快速发展时期，把握发展机遇，提升港口管理水平直接影响港口的经济效益，而设备管理作为港口综合管理的一部分对推动港口生产有重要意义。港口设备的外部工况恶劣，长期在露天条件下重载连续作业，保持港口机械设备的稳定可靠对于港口装卸工作正常进行起着关键作用，因此对港口设备的管理提出了很高要求。现代港口的设备管理已经延伸到了产品设计环节，在港口设备零件的设计中，普遍采用的方法是设计人员依据材料力学原理、结构力学方法进行结构的设计与校核[1]。然而该种方法依靠手工计算，根据经验设计，其工作量大研发周期长，计算精度低，造成不必要的经济浪费，难以满足高效灵活的产品设计要求，由于经验公式的计算不能准确得出各个部件的应力和变形，往往导致产品设计的不合理。

　　事实上，可通过有限元分析的方法解决此类设备的设计问题，为优化和改进零件的结构形式提供数值参考。本文以轨道衡沟槽盖板为例，采用ANSYS软件对结构件进行了载荷模拟，作为判断该结构件是否满足强度和刚度的依据，通过优化和完善结构尺寸，以提高设备的可靠性并降低成本。

　　1轨道衡沟槽特点

　　轨道衡是称量铁路货车载重的衡器，分为静态轨道衡和动态轨道衡两种。轨道衡沟槽设置在翻车机入口和出口，作为台面土建基础用以满足断轨式轨道衡分别称量低速通过的重车和空车。黄骅港务公司目前1-6#翻车机共有12台轨道衡是断轨式轨道衡。

　　轨道衡沟槽及其盖板的作用决定了其特点：

　　1）轨道衡称体基础的最终沉降量小于10mm；

　　2）轨道衡沟槽的土建基础承载的主载荷为重车和空车所施加的垂直向冲击动载荷；

　　3）盖板结构简单，荷载小，长期受列车经过所引起振动影响，主要起密封作用和作为行走通道。

　　轨道衡基坑作为土建基础，采用钢筋混凝土结构，横截面尺寸如图1示，沟槽宽800mm，高1000mm，沟槽壁面高1000mm，宽600mm，沟槽底部深度1000mm，左右两侧关于中心线对称。

　　图1轨道衡沟槽界面尺寸

　　图2覆盖件的横截面结构及尺寸

　　覆盖件材质为Q235花纹板，其横截面结构及尺寸如图2示，覆盖件尺寸参数为盖板长1200mm，宽1000mm，板厚6mm，两条加强筋高50mm，宽4mm，加强筋相距400mm，筋板焊接于盖板主体。

　　2建模并划分网格

　　利用功能强大的三维实体建模软件Pro/E为工具建立该结构的三维实体模型，如图3所示。将所建模型以IGES类型存盘，然后将该数据模型导入ANSYS中，使用ANSYS软件做有限元分析。有限元法是用一个离散的结构来代替原结构作为真实结构的近似力学模型，即将所分析的连续物体划分为有限个单元，因此需先通过定义单元属性、指定网格的控制参数、生成网格完成网格划分，其网格划分如图4所示。

　　计算中盖板采用线弹性模型，其主要参数是：密度为7.8×103kg/m3，屈服强度为235MPa，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。

　　图3轨道衡覆盖件的约束条件及承载方式示意图

　　图4沟槽及其盖板的网格模型

　　单元类型采用三维实体单元Solid45，对模型进行网格划分。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。沟槽采用较大的网格划分，盖板为本文研究的主要对象，采用较为细密的网格划分。这样划分既能保障计算精度又能节约计算用时[2]。

　　3加载边界条件并求解

　　盖板与地面接触，主要承担静载荷，当人站立于盖板中部时盖板承载最大，本文将主要分析当人站立于盖板中部时盖板的静强度和刚度。平面静载荷是由人自身重力产生，轨道衡称体基础的最终沉降量小于10mm，因此可以忽略因地基沉降所引起重力沿垂直于盖板方向分力，取人体重量为100Kg，约束条件为沟槽支撑面的平面约束。

　　图5盖板的MISES应力图

　　根据试验工况，进行有限元分析，求解后得到盖板VonMises主应力分布云图（图5）。由图中可以看出，盖板在所选工况下，应力值分布在0～9.4MPa，应力带平行于沟槽方向和加强筋方向一致，呈斑马纹状分布。条纹出现的顺序与加强筋位置以及支撑位置及零件的几何中心有关。盖板应力最大位置出现在沟槽边沿支撑处，由于盖板支撑处所受的弯矩最大，因此导致该处的应力最大。

　　根据强度理论，最大米塞斯等效应力应满足，式中：

　　由图6可以看出，沟槽覆盖件变形呈倒置的高斯概率分布曲线状。距离沟槽位置越远位移越大，变形量和距离沟槽的位置成正比。盖板中心线处变形量最大，但其数值很小，因此满足刚度要求。

　　图6盖板变形图

　　按照所采用实体尺寸设计的轨道衡盖板完全符合设计要求，强度和刚度满足材料力学性能，由计算结果可知盖板在强度和刚度方面有较大裕量，可在满足强度和刚度的条件下进行优化设计。

　　4优化设计

　　对于结构设计人员来说，所选择的设计方案要在符合总体应用要求和性能的前提下，应充分利用材料、减轻自重、简化工艺并降低成本。轨道衡盖板加筋板的形式有很多种，最典型的加筋板结构形式为整体加筋板。但是具体布置多少根筋条、布置位置、筋板参数和母板厚度的确定在实际工程设计中通常受到结构布局及周围环境的限制。因此，需结合实际应用条件进行相关结构的优化设计。筋板的优化设计是以满足整体结构强度和刚度条件为前提，在质量最小的条件下使其有效强度最大。可通过对几何模型中母板和筋板参数的改变，在ANSYS中分析整体结构应力分布的变化，从而总结筋板设计的规律，寻求筋板的合理布置，达到盖板有效强度最大。

　　多种设计方案之间的比较只有在相同承载条件下才有意义。通过改变筋板参数和筋板布置间距，在特定载荷作用下分析各个设计方案中模型的应力分布，比较最大应力的变化，建立筋条数目、筋条截面积和筋板厚度对结构整体应力分布影响的关系，从而分析得出最佳的模型设计方案。筋条的数目需合理，筋条数目太多会使筋条变弱，导致临界失稳载荷下降，筋条太少会导致相邻筋条之间蒙皮失稳。本例中承担主要载荷的钢板强度足够，设计筋板是为改善盖板的稳定性和结构强度，方案中采用两条筋板对称布置的方式，筋板距离盖板边缘300mm。实际应用中，盖板结构稳定可靠，制造加工简单，火车经过时对盖板引起的振动冲击小。

　　图7盖板在加强筋区域应力变化图

　　综合分析以上结果可以对该类零件的结构改进提供参考依据。图7显示沟槽覆盖件在加强筋附近应力最小，在距离加强筋较远处，应力值较大，应力整体呈对称分布，应力值和加强筋的距离成正比。加强筋的存在改变了盖板原应力场的分布，使得加强筋附近的应力值明显降低，在整个零件应力分布图上可以明显的看出两条蓝色区域，表示此区域应力值较低。由此可见，加强筋结构对于增强零件的结构强度起到了至关重要的作用。根据弹性力学的应力应变关系可知，采用加强筋结构可以减小零件的应变。由此可见，设计合理的加强筋结构能够有效地减小零件的变形，提高零件的刚度。

　　5结论

　　1）应用Pro/E软件建立轨道衡盖板实体模型，借助Pro/E强大的建模功能可实现快速灵活的建模，提供了简便的建模方法和直观的模型。

　　2）利用ANSYS分析软件，在正确创建有限元模型和施加载荷后，可以灵活高效的针对不同工况下结构的受力特点进行分析并进行方案比较，得出最优设计方案，所采用的设计分析方法可为类似产品的设计提供借鉴。

　　3）以轨道衡盖板为例进行有限元分析，分析结果证明合理设计加强筋对于改善零件的受力状况，提高构件强度有重要作用。充分利用软件工具，采用有限元法对结构件建模分析，根据分析结果进行产品设计是行之有效的方法。

　　作者简介：王洪宾（1983-），男，汉族，河北邢台人，硕士研究生，助理工程师，从事港口设备管理和技术改造工作。