基于装配体的13号车钩有限元分析

第28卷　第4期2007年12月

大连交通大学学报

JOURNAL　OF　DAL I A N　J I A OT ONG　UN I V ERSITY

Vol.28　No.4

　Dec.2007　

　文章编号:167329590(2007)0420037205

基于装配体的13号车钩有限元分析

苗伟明,孙丽萍

(大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028)3

摘要:13号车钩在运用过程中经常出现钩体裂纹、钩尾框裂纹和钩舌折断等故障,严重影响列车的正

常运行.利用I2DEAS软件对车钩的装配体进行有限元分析,车钩各零件的相互作用通过定义接触来传

递.给出了车钩在拉伸工况下的应力状态,应力较大部位与运用中故障多发部位相吻合,为车钩结构设

计、改进和检修提供参考依据.

关键词:13号车钩;装配体;接触;有限元分析

中图分类号:U260.341文献标识码:A

F i n ite Elem en t Ana lysis of No.13Coupler Ba sed O n A ssem bly

M I A O W ei2m ing,S UN L i2p ing

(School of Transportation Engineering,Dalian J iaotong University,Dalian116028,China)

Abstract:No.13coup lers often occur failures such as coup ler body and yoke cracks,

coup ler knuckle fracture etc.during operation.These seriously affect nor m al operation of

the rail way vehicles.The coup ler assem bly w ith finite elem ent analysis soft ware I2DEA S is

analysed considering the in teractions bet ween the components of coup ler by defining

contact.The stress state of coup ler under tension load is given,and the results p rovide

reference basis for coup ler structure design,i mp rovem ent and repair.

Key words:No.13coup ler;assem bly;contact;finite elem ent analysis

车钩缓冲装置是铁道车辆的重要部件,它在机车与车辆、车辆与车辆之间起着连挂作用,并在列车运行中传递牵引力和缓解冲击力.随着我国铁路运输提速、重载的发展,作为当前货车主流产品的13号车钩,在运用过程中时有故障发生,如车辆在运行中车钩自动分离、由于钩体裂纹和钩尾框后弯角裂纹引起的断裂造成的分离和钩舌折断造成的分离等,这不仅使铁路运输成本迅速增加,而且直接影响列车的安全和我国铁路客货运输秩序,在一定的程度上制约了铁道车辆的进一步提速,影响铁路运力的进一步提高.车钩的自动分离通过三连件的设计成功地得到了解决[1,2].车钩的破损分离主要是车钩受力较大的部位存在裂纹或缺陷,基于装配体的13号车钩有限元分析可以更好地模拟其在实际运用过程中的受力状态,找出车钩应力较大部位,这对于提高车辆连接的稳定性,防止分离,对于保证铁路客货运输秩序、节约成本、提高铁路运力具有重要的现实意义.

1装配分析法与I2D EA S软件的接触算法

1.1　装配分析法

以往对车钩零部件进行有限元分析时,常常是将所关心的部件单独提出来建立模型,而分析部件与其他部件之间的相互作用则用接触边界上的已知力或位移来考虑.当其他部件刚性较大时,其变形很

3收稿日期:2007204210

作者简介:苗伟明(1979-),男,硕士研究生.

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小,这样处理是合理的.但当其他部件刚性较小时,其变形很大,这样处理是不合理的,会带来一定误差.然而装配分析可以较好地处理部件之间的相互影响,对于一些边界条件复杂和相互影响较严重的部件,利用装配分析法可以更加真实地模拟实际运用状态,获得比较精确的结果.装配分析法不需要编制专门

的程序,利用一般的有限元软件便可以实现,但装配结构的建模要复杂一些,模型的规模也偏大[3]

.本文利用CAD /CA E 高度集成的软件I 2DEAS 对车钩装配体进行有限元分析,对于车钩各零件间力的相互作用通过定义接触来传递,不仅可以得到整个装配体的应力状态,还可以得到单个零件的应力状态.1.2　I 2D EAS 软件的接触算法

I 2DEAS 软件接触问题求解器采用面对面接触算法,其主要步骤如下:(1)运动学方程给出了接触表面的相对运动情况.(2)求解带边界条件和接触约束的平衡方程.

(3)将运动方程和控制方程转化为等效有限元矩阵方程.(4)求解总矩阵方程.1.2.1　运动学方程

假设碰撞点在目标面点发生穿透,穿透值为:

P =P 0+(U H -U t )・n

(1)式中,P 0指由几何构型确定的初始穿透值;U H 为碰撞点的位移;U T 为目标点的位移,n 为碰撞表面的法向矢量,穿透值为表面分离间隙的负值.1.2.2　法向接触约束

两个表面间的法向接触约束为:

P ≥0;　t n =-n ・t ≥0;　t n P =0

(2)

接触压力定义t n 表面拉力t 的反法向分量.1.2.3　库仑摩擦接触约束

ΔU t =(ΔU H -ΔU T )-[n ・(ΔU H -ΔU T )]n

(3)Φ=|t t |-μt n ≤0;　ΔU t =Δξt t

|t t |

;　

Δξ≥0;ΦΔξ=0(4)

式中,ΔU t 为相对的切向位移增量;Δξ是指相对滑移增量的幅值;t t 为面内摩擦力;μ为摩擦系数.

1.2.4　有限元运动学方程

根据有限元自由度,计算一个特定点上的穿透力;

P =P 0+

∑n H

i =1

N

i H

U

i H

-

∑n T

j =1

N

j T U j

T ・n

(5)

式中,N i H

为碰撞面i 节点上的插值函数;N j T

为目标面上j 节点的插值函数;U i

H 和U j

T 分别为碰撞面与目标面上的节点位移.

将碰撞面与目标面上的接触单元的节点位移表示成矩阵{U },则方程(5)可写成:

P =P 0+[q n ]×

U H U T (6)

切向滑移的有限元矩阵方程为:

Δξ=ξ0+[q t ]×

U H U T

(7)

式中,行矩阵[q n ]、[q t ]分别为插值函数与表面的法向、切向分量的乘积.

对所有的接触单元,穿透力和切向滑移的有限元矩阵方程可写为

{P}=[Q n ]{U }+{P 0};　{Δξ}=[Q t ]{U }+{ξ0}

(8)1.2.5　总体求解策略

I 2DE AS 软件采用增量拉格朗日方法计算上述方程组,计算时引入一个罚刚度.与其他纯罚方法不同,该方法的惩罚值可以比纯罚方法中的惩罚值低,这样可以使方程性态更优,使得通过一系列更新的