学生作业——货车摇枕的有限元分析

货车摇枕的有限元分析
机制B09*班 *** ************
摘要：通过分析摇枕的结构特点，选用ANSYS软件作为有限元分析工具，根据摇枕结构特征及载荷情况，按照与实际相符合的原则建立摇枕模型。

依据TB/T1335-1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》，对摇枕的主要载荷进行计算和工况分析。

由于摇枕结构复杂，需要用第四强度理论进行评价，即用当量应力对静强度进行了评定。

关键词：摇枕；有限元分析；载荷工况；强度计算
1、概述
伴随着国家经济的迅速发展，以及我国制造业的迅猛成长和运输车辆向高速、重载和轻量化方向的迅速发展，对于运输车辆的可靠性的要求也越来越高。

摇枕作为车辆转向架主要承载部件之一，在使用过程中承受着巨大的拉、压、冲击、弯曲等交变载荷作用，工况十分复杂恶劣。

其主要失效形式是疲劳破坏，摇枕的疲劳裂纹失效问题已成为影响货车发展的重要因素。

实践证明，目前采用传统强度设计方法的机车车辆结构，在使用中暴露出不少疲劳损伤方面的问题，虽然其成因较为复杂，但在设计阶段对关键结构部件的疲劳寿命预测研究不足却是重要的原因之一。

2、基于有限元分析的理论基础
(1)材料的S N
-曲线
Ｓ－Ｎ曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。

如图２所示，纵坐标表示试样承受的应力幅σ，横坐标表示应力循环
σ。

对钢铁材次数N，S N
-曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是材料的疲劳极限
e
料，此“无限”的定义一般为7
10次应力循环。

疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计的主要依据。

图1 材料的S N
-曲线
m N C
σ= （1）
式（1）中 ：
σ ——— 应 力 幅 ；
N ——— 达 到 疲 劳 破 坏 时 的 应 力 循 环 次 数 ； m C 、———材料数
(2)疲劳载荷类型
疲劳载荷一般有稳定循环变应力和非稳定性循环变应力２种。

稳定循环分为对称循环、脉动循环和非对称循环；非稳定性循环分为规律性非稳定循环和随机性的非稳定循环。

对于随机性的非稳定循环变应力，则运用雨流计数法获得应力－时间历程的雨流循环，进而获得分析所需要的疲劳应力谱。

疲劳载荷的类型见图１。

在疲劳载荷的描述中，经常使用应力幅a σ和应力范围σ∆ 的概念，并用最小应力与最大应力的比值Ｒ来描述循环应力的不对称程度。

3、摇枕的结构特点
为适应摇枕中央部位受弯矩大、两端受弯矩较小的情况，摇枕中央的截面比两端大，使中央部位具有较大的截面模数，这种形式的摇枕称为鱼腹形摇枕。

这种结构既能保证摇枕具有足够的强度，又可以节约材料和减轻自重。

以下分实体模型如图2所示。

图2 摇枕实体模型图
4、摇枕有限元模型网格化
有限元模型的建立是利用Pro/E对摇枕进行实体建模后，导入ANSYS，划分有限元网格。

划分单元后结构离散网格模型见图3。

其共有102 595个单元，189 350个节点。

图3 摇枕有限元模型
5、摇枕载荷
(1)摇枕受力情况分析
在摇枕两端受支撑，可以施加两个约束，以模拟其支撑情况。

实际运行中，摇枕承受的载荷较为复杂。

有限元分析时，将载荷简化为心盘垂向载荷
加载后，模型的应力如图示，应力大小从蓝到红依次增大，也就是最危险的部位。

7、结束语
（1）由以上分析可知，最危险部位在端部支撑端。

（2）以轴重摇枕为研究对象，采用软件仿真和理论计算相结合的手段，研究探索了摇枕的疲劳问题。

主要研究了摇枕在典型载荷工况下的有限元应力计算结果，不仅实现了摇枕结构的合理设计，同时又对科学地制定管理方法，避免摇枕断裂事故的发生具有重要的指导意义。

8、参考资料
【1】材料力学刘鸿文高等教育出版社
【2】有限元基础理论与ANSYS11.0应用管殿柱主编机械工业出版社。