车辆缓冲器环簧强度分析

2006年用户年会论文
车辆缓冲器环簧强度分析
田建广 揭长安
[天津机车车辆厂]
[ 摘 要 ]：本文通过对货车二号缓冲器的内、外环弹簧进行有限元分析，明确了内、外环弹簧承载状态下的应力分布和变形，较好地验证了极限载荷下该缓冲器环弹簧产生塑性变形的情况。

特别是首次探明了内、外环弹簧接触表面的接触应力状态，为改进环弹簧的设计提供了依据。

1. 引言
为了提高铁路货车运输能力，适应目前高速重载的需要，作为主要承载零件的缓冲器的工作状况正在越来越受到重视。

为了我厂缓冲器产品的研究和新品的开发，我们对铁路货车装用量最大的二号缓冲器环簧进行了分析和验证。

2. 模型的建立
图１为二号缓冲器内、
外环弹簧接触状态简图，承载状态下由于受到轴向压力的作用，使外环的上端面与内环的上端面处在同一水平面内，即内环受压而缩小，外环受拉而涨大。

由于环簧是一个轴对称物体，因此我们建模时采用平面轴对称建模方式。

网格为自适应网格。

（见图２）
3. 加载
由于承载状态下，内环与外环相互接触摩擦，因此该分析为接触非线性结构分析。

当施加力载荷时，发生了求解不收敛的情况，原因是产生了刚体运动，接触失效。

为了解决该问题，我们选择了施加位移载荷的加载方式，收到了很好地效果。

另外，我们还试用了施加力载荷时，在刚体运动方向加了一个刚度较弱的弹簧，来防止刚体运动的产生，虽然也达到了收敛的结果，但是发现应力分布情况与采用位移
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加载时的结果有差别，在此一并提出，望各位专家予以指导。

4. 结论
应用ANSYS 分析软件对内、外环弹簧应力分析，结果表明内、外环弹簧的接触面上，内环簧的上角和外环簧的下角部位的接触应力最高，是产生应力集中的地方（见图3）。

在实际零件的相关部位内环弹簧采用了R2，外环弹簧采用了R3的倒角，有效地减小了相关部位的接触应力值（见图4），从理论上验证了设计的合理性。

ANSYS 软件对接触问题的分析，是目前其它常规计算和实验测定无法解决的。

在给定极限位移的条件下，分析得到的最大载荷为1430kN 内、外环弹簧，与实际测得载荷平均值1200kN 相差19.2%,这是因为分析中假设材料是完全弹性的。

从应力图中可以看出内、外环弹簧局部应力超出材料屈服极限,导致内、外环弹簧出现塑性变形，所以实际测量值低于分析值。

从内环弹簧内径缩小、外环弹簧外径增大的测量结果，也验证了ANSYS 软件分析是正确的。

图三
图四。