跨座式单轨平移式道岔结构数值仿真分析
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第3 第1期 �� �� �� �� � 中 国 铁 道 科 学 � 3卷 � 2 0 1 2 年 1 月 �� �� �� �� �CH I NA� RA I LWAY S C I E NC E �� � � �
文章编号 �1 0 0 1 4 6 3 2� 2 0 1 2�0 1 0 0 1 3 0 6 -
� 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费专 项 资 金 资 助 项 目 ( 5 1 0 0 8 0 1 3) 2 0 0 9 J BM 0 6 0) � 基 金 项 目 � 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学基 金 资 助 项 目 ( � 男 � 黑 龙江 齐 齐 哈 尔 人 � 讲 师 � 博 士 � �作者介绍�卢明奇 ( 1 9 7 8� )
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� � 道 岔是 跨座 式单 轨交 通系 统中的 关 键环 节
�
构 � 驱动 装置 包括 驱动 电机 � 减 速箱 � 离 合器和 电 动推 杆 � 控制 装置 包括 信号 控制 柜 � 驱动 和手动 控 制柜 � 限 位开 关及 电缆 等 � 平移 式道 岔的整 体结 构 如图 1 所 示 � 道 岔 截面 如 图 2 所 示 � 为减 轻 自 重 � 便于 道岔 整体 移动 � 在 设计 中对 包括 梁体 � 台车 在 内的 各主 要组 成部 件用 钢材 制作 �
如果计算分析的时刻较结构上的单元往往要划分得很密从而增加计算和结果处理的时间这个问题对于复杂模型来说显得尤为突出为提高计算分析效率提出单元重分法单元重分法是指在移动加载过程中根据每个分析时刻对应的荷载位置划分单元以保证荷载作用点处具有单元节点对于没有荷载的位置现以承受2个移动荷载的简支梁为例说明传统方法和单元重分法的不同如图5所示按照传统方法时刻结构内力共需设置7个单元8个节点而按照单元重分每个时刻只需要设置3个单元4个节点元和节点总数均较传统方法少较少的单元总数使得有限元分析中的单元刚度矩阵数量减少整体刚度矩阵缩减求解的方程总数减少从而提高了计算效率但是需要注意的是采用单元重分法每一分析时刻结构单元要重新划分因此单元重分法在节省计算分析时间的同时将会增加单元划分的时间对于实际工程问题需通过综合分考虑到平移式道岔结构的道岔梁台车轨等部件构造复杂为得到较为精确的分析结果单元网格已经划分得很密如果采用传统方法则会造成仿真分析的计算量过大并给后处理工作带来困难因此有限元分析中对于道岔梁的腹板内部的横隔板加劲肋以及台走形轨等不直接承受列车荷载的部件依据其自身的结构特点划分单元并在整个计算分析中保持不变对于直接承受列车荷载的道岔梁上翼缘则采用单元重分法根据荷载移动的位置随时调整单元划分由于仅对上翼缘进行单元重分所以单元重新划分增加的时间并不多利用相同的计算机设按照传统方法和单元重分法对列车荷载作用下道岔梁进行试算发现采用传统方法计算耗时183后者耗时仅为前者的048倍由此可见采用单元重分法能够使计算分析效率有较大的提高利用通用有限元分析软件ansys建立平移式道岔整体结构的三维数值仿真模型为精确模拟钢质直线道岔梁和曲线道岔梁在列车运行下的力学行为采用三维四节点24自由度的shell181壳单元建立道岔梁结构采用三维八节点24自由度的solid45实体单元模拟台车和走行轨等下部结钢材密度为7800kg性模量200gpa有限元计算模型如图6所示依据上述单元重分法并通过ansys所提供的apdl语言编写命令流按照荷载移动的位置随时调整道岔梁上翼缘单元划分进行仿真分析算结果如图7和图8所示平移式道岔在列车运行列车在直线梁上运行时各主要构件最大mi列车在曲线梁上运行时各主要构件最大mi应力云图过程中各组成部件的最大mi应力列车运行位置道岔梁应mpa短台车应mpa长台车应mpa直线梁1549113179696曲线梁1863185202
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中 � 国 � 铁 � 道 � 科 � 学 ������������������ 第 3 3卷
作专 门的 规定 . 但 是考 虑到 当平 移式 道岔转 辙就 位 后 , 道岔 梁体 在 结 构 受 力上 相 当 于 轨 道 梁 , 因 此 , 可参 考轨 道梁 的结 构设 计荷 载进 行设计 . 根据文 献 � , 除结 构和 附 属 设 备 自 重之 外 , 重 点考 察 列 车 7� 的动 力荷 载作 用 , 主要 包括 列车 竖向 动力作 用 , 横 向摇 摆力 , 离 心力 , 制 动力 或牵 引力 . 单轨 列 车 编 组 按 8 节 车 厢 考 虑 , 根 据 文 献 � , 设计 轴重 为 1 7� 1 0k N, 图 4 为 每 相邻 两 车厢 竖
V o l . 3 3 N o . 1 �
J a n � a � 2 0 1 2� ��
跨 座 式 单 轨 平 移 式 道 岔 结 构数 值 仿 真 分 析
卢明奇1�杨庆山1�何希和2� 王 � 恒3
( � 1. 北京交通大学 土木建筑工程学院 � 北京 �1 0 0 0 4 4 2. 重庆市轨道交通设计院 � 重庆 �2 5 0 0 0 2� 3. 北京交通大学 机械电子学院 � 北京 �1 0 0 0 4 4) �� 摘 � 要 � 根据相关规 范给出平移式道岔结构在列车 作用下 的动力 荷载类型 及相应 计算方 法 � 为减 少计算单 元的划分数量 � 提高计算 分析效率 � 提出单元重分法 模拟列 车移动 加载 � 运用 有限元 数值仿 真方法 � 对平移式 道岔在列车运行 过程中的力学行为和结构安全性进 行分析 � 结 果表明 � 列 车运行 过程中 平移式 道岔结构 在长台 车处产生最大应 力 �其应 力比为 0 . 8 6� 梁体挠度小于规范规定的 相应限值 � 说 明在列车 运行过 程中平移 式道岔 的强度和刚度均 能够满足结构安全性要求 � 长台车上部 连接板 的边缘 处存在 较大的集 中应力 � 因此在 道岔结构 制造和施工过程 中 �需确 保其焊缝连接强度不小于母材强度 � �� 关键词 � 跨座式单轨 交通 �平 移式道岔 � 强度 � 刚度 �单 元重分法 �� 中图分类号 �U 2 3 2�U 2 1 3 . 6 �� 文献标识码 � A�
为 实现 车辆 在行 驶中 的转 线 � 折返 运行 及车辆 基地 内 的调 车作 业 � 在单 轨交 通正 线 � 辅助 线和车 辆基 地 内的 线路 上均 需要 设置 道岔 设备 � 以 往跨座 式单 轨 交通 中采 用的 道岔 为关 节型道 岔 道岔
� � 5 � � 4
和关 节可 挠型
� 关节 型道 岔由 于线 形是 折线 � 列 车行 驶时
图1 � 平移式道岔 的整体结构
1 �平移式道岔
� � 平 移式 道岔 主要 由机 械装 置 � 驱动 装置和 控制 装 置组 成 � 其中 � 机 械装 置包 括道 岔梁 ( 直线 梁和 � 台车 车体 ( � 曲 线梁 ) 长 台 车 车体 和 短 台 车 车 体 ) 导 向机 构 � 铰接 轴 � 台车 架 � 轮轴 � 车 轮和定 位机
0 1 1 0 8 2 1� 修 订 日 期 �2 0 1 1 1 1 2 7 � 收 稿 日 期 �2 -
�� 平移 式道 岔有 直线 和曲 线 2 个道 岔梁 � 其工 作 原理 如图 3 所 示 � 当列 车需 要从 正线 位通过 时 � 将 直线 道岔 梁移 至轨 道梁 1 和 轨道 梁 2 之间 � 实现 线 路直 线对 接 � 若当 列车 需要 从侧 线位 通过时 � 则将 曲线 道岔 梁移 至轨 道梁 1 和 轨道 梁 3 之间 � 从而 实 现线 路的 曲线 对接 �
会 产生 一定 的偏 心和 摆动 � 从 而降 低了列 车运 行的 舒 适度 � 关 节可 挠型 道岔 的制 造 � 安装 和维护 费用 昂 贵 � 并且 核心 技术 为日 本专 有 � 不利 于国内 单轨
� 6 交 通长 远发 展 � � 为此 � 重 庆市 轨道 交通 设计 院和
北 京交 通大 学合 作研 制开 发了 平移式 道岔 � 它具有 转 辙迅 速 � 构造 简单 � 列 车运 行顺 畅 � 制造维 护成 本 低等 优点 � 作 为一 种新 型的 轨道 交通设 备 � 其结 构 安全 性需 要进 一步 深入 研究 � 为 此 � 通过有 限元 数 值模 拟 � 对平 移式 道岔 在列 车运行 过程 中的 力学 行 为进 行仿 真分 析 �
文章编号 �1 0 0 1 4 6 3 2� 2 0 1 2�0 1 0 0 1 3 0 6 -
� 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费专 项 资 金 资 助 项 目 ( 5 1 0 0 8 0 1 3) 2 0 0 9 J BM 0 6 0) � 基 金 项 目 � 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学基 金 资 助 项 目 ( � 男 � 黑 龙江 齐 齐 哈 尔 人 � 讲 师 � 博 士 � �作者介绍�卢明奇 ( 1 9 7 8� )
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构 � 驱动 装置 包括 驱动 电机 � 减 速箱 � 离 合器和 电 动推 杆 � 控制 装置 包括 信号 控制 柜 � 驱动 和手动 控 制柜 � 限 位开 关及 电缆 等 � 平移 式道 岔的整 体结 构 如图 1 所 示 � 道 岔 截面 如 图 2 所 示 � 为减 轻 自 重 � 便于 道岔 整体 移动 � 在 设计 中对 包括 梁体 � 台车 在 内的 各主 要组 成部 件用 钢材 制作 �
如果计算分析的时刻较结构上的单元往往要划分得很密从而增加计算和结果处理的时间这个问题对于复杂模型来说显得尤为突出为提高计算分析效率提出单元重分法单元重分法是指在移动加载过程中根据每个分析时刻对应的荷载位置划分单元以保证荷载作用点处具有单元节点对于没有荷载的位置现以承受2个移动荷载的简支梁为例说明传统方法和单元重分法的不同如图5所示按照传统方法时刻结构内力共需设置7个单元8个节点而按照单元重分每个时刻只需要设置3个单元4个节点元和节点总数均较传统方法少较少的单元总数使得有限元分析中的单元刚度矩阵数量减少整体刚度矩阵缩减求解的方程总数减少从而提高了计算效率但是需要注意的是采用单元重分法每一分析时刻结构单元要重新划分因此单元重分法在节省计算分析时间的同时将会增加单元划分的时间对于实际工程问题需通过综合分考虑到平移式道岔结构的道岔梁台车轨等部件构造复杂为得到较为精确的分析结果单元网格已经划分得很密如果采用传统方法则会造成仿真分析的计算量过大并给后处理工作带来困难因此有限元分析中对于道岔梁的腹板内部的横隔板加劲肋以及台走形轨等不直接承受列车荷载的部件依据其自身的结构特点划分单元并在整个计算分析中保持不变对于直接承受列车荷载的道岔梁上翼缘则采用单元重分法根据荷载移动的位置随时调整单元划分由于仅对上翼缘进行单元重分所以单元重新划分增加的时间并不多利用相同的计算机设按照传统方法和单元重分法对列车荷载作用下道岔梁进行试算发现采用传统方法计算耗时183后者耗时仅为前者的048倍由此可见采用单元重分法能够使计算分析效率有较大的提高利用通用有限元分析软件ansys建立平移式道岔整体结构的三维数值仿真模型为精确模拟钢质直线道岔梁和曲线道岔梁在列车运行下的力学行为采用三维四节点24自由度的shell181壳单元建立道岔梁结构采用三维八节点24自由度的solid45实体单元模拟台车和走行轨等下部结钢材密度为7800kg性模量200gpa有限元计算模型如图6所示依据上述单元重分法并通过ansys所提供的apdl语言编写命令流按照荷载移动的位置随时调整道岔梁上翼缘单元划分进行仿真分析算结果如图7和图8所示平移式道岔在列车运行列车在直线梁上运行时各主要构件最大mi列车在曲线梁上运行时各主要构件最大mi应力云图过程中各组成部件的最大mi应力列车运行位置道岔梁应mpa短台车应mpa长台车应mpa直线梁1549113179696曲线梁1863185202
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为 实现 车辆 在行 驶中 的转 线 � 折返 运行 及车辆 基地 内 的调 车作 业 � 在单 轨交 通正 线 � 辅助 线和车 辆基 地 内的 线路 上均 需要 设置 道岔 设备 � 以 往跨座 式单 轨 交通 中采 用的 道岔 为关 节型道 岔 道岔
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和关 节可 挠型
� 关节 型道 岔由 于线 形是 折线 � 列 车行 驶时
图1 � 平移式道岔 的整体结构
1 �平移式道岔
� � 平 移式 道岔 主要 由机 械装 置 � 驱动 装置和 控制 装 置组 成 � 其中 � 机 械装 置包 括道 岔梁 ( 直线 梁和 � 台车 车体 ( � 曲 线梁 ) 长 台 车 车体 和 短 台 车 车 体 ) 导 向机 构 � 铰接 轴 � 台车 架 � 轮轴 � 车 轮和定 位机
0 1 1 0 8 2 1� 修 订 日 期 �2 0 1 1 1 1 2 7 � 收 稿 日 期 �2 -
�� 平移 式道 岔有 直线 和曲 线 2 个道 岔梁 � 其工 作 原理 如图 3 所 示 � 当列 车需 要从 正线 位通过 时 � 将 直线 道岔 梁移 至轨 道梁 1 和 轨道 梁 2 之间 � 实现 线 路直 线对 接 � 若当 列车 需要 从侧 线位 通过时 � 则将 曲线 道岔 梁移 至轨 道梁 1 和 轨道 梁 3 之间 � 从而 实 现线 路的 曲线 对接 �
会 产生 一定 的偏 心和 摆动 � 从 而降 低了列 车运 行的 舒 适度 � 关 节可 挠型 道岔 的制 造 � 安装 和维护 费用 昂 贵 � 并且 核心 技术 为日 本专 有 � 不利 于国内 单轨
� 6 交 通长 远发 展 � � 为此 � 重 庆市 轨道 交通 设计 院和
北 京交 通大 学合 作研 制开 发了 平移式 道岔 � 它具有 转 辙迅 速 � 构造 简单 � 列 车运 行顺 畅 � 制造维 护成 本 低等 优点 � 作 为一 种新 型的 轨道 交通设 备 � 其结 构 安全 性需 要进 一步 深入 研究 � 为 此 � 通过有 限元 数 值模 拟 � 对平 移式 道岔 在列 车运行 过程 中的 力学 行 为进 行仿 真分 析 �