基於Mechanical ANSYS的排障器強度分析

作者：零星記憶

本算例對某種鐵路轉向架排障器結構進行有限元分析，用於驗證其結構強度。排障器結構見下圖，排障器包括排障器梁、排障板、撒砂安裝組成，排障器梁通過上方4個Φ14安裝孔與轉向架栓接，採用M12的螺栓。另外，排障板、撒砂安裝組成採用M8的螺栓與排障器梁連接。

上述結構都是薄板結構，因此採用shell63單元模擬。為了較為準確的模擬螺栓連接，本模型排障器樑上的所有安裝孔不做簡化處理。為了提高網格質量，模型對圓孔區域進行了切割處理，處理結果如下圖，綠色為排障板、藍色為排障器梁三視圖、黃色為撒砂安裝組成。

利用上圖模型進行網格劃分，得到結果如下圖。

1）排障器所有板材採用shell63模擬，二位撒砂安裝座為3mm厚，撒砂安裝座與高度調整板重疊部分板厚為8mm（3mm+5mm），其餘板材為5mm。板材之間焊縫採用粘接近似。

2）排障板、排障器梁、撒砂安裝組成之間螺栓採用beam188梁單元，其中與構架連接螺栓為M12，其餘螺栓M8。Beam188與shell63間採用剛性連接模擬。

3）排障板與排障器梁之間接觸面積較大，而且在承受載荷時，兩者之間不僅僅通過螺栓傳遞載荷，因此在兩者之間採用了contact pair。

4）單元數量12550，節點數量9509，網格大小5~10mm。所有板材採用Q355GNH，屈服強度為355MPa，抗拉強度為490MPa。

5）邊界條件為：對連接構架M12螺栓（beam188）的構架端進行全自由度約束，見下圖。根據EN13749確定超常載荷工況見表1，對整體施加慣性載荷。另外，為了驗證排障板能承受的最大衝擊力，定義特殊載荷工況見表2，按下圖施加壓力載荷。壓力Fz作用於一個接近中心的位置節點，與排障板上一定範圍的節點剛性連接，從而傳遞載荷，見下圖。由於模型對稱性，所有沿x方向載荷僅需考慮正值。

表1 超常載荷

工況1

工況2

工況3

工況4

工況5

ax=10g

ay=20g

ay=-20g

az=3g

az=-3g

表2 特殊載荷

工況6

工況7

工況8

工況9

Fz=-3kN

Fz=-4kN

Fz=-4.5kN

Fz=-5kN

將載荷工況結構分別進行靜強度分析，得到計算結果。通過超常載荷工況驗證了模型在列車運營過程中結構安全性；通過特殊載荷工況，驗證在排障板中部受到多大的衝擊後，排障板發生塑性變形並出現斷裂。現例舉載荷工況2（超常載荷惡劣工況）、工況9（排障板發生斷裂）的結果如下圖。

本算例在工況9條件下的螺栓強度達到最大，最大的雲圖見下圖。

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