有限元數值模擬方法在香港機車發運吊具結構強度分析中的應用

王玉艷　孫麗萍

摘 要：機車在發運過程需要吊裝，機車發運吊具的強度決定了吊裝的安全性。本文依據有限元分析軟件I-DEAS，采用有限元數值模擬的方法，分析了香港機車發運吊架和車體吊銷的強度和剛度，并校核了鋼絲繩的強度。計算分析結果表明，機車發運吊具結構的強度滿足要求，性能可靠。

關鍵詞：機車；吊具；強度；有限元

中圖分類號：TP391.77

機車發運吊裝時，吊車一端吊起鋼絲繩，鋼絲繩通過機車吊架的支撐吊起安裝在底架的吊銷，來實現機車的吊裝。機車發運吊具必須具有足夠的強度才能保證機車吊裝時的安全。

本文分析了香港機車發運吊具的強度以滿足其發運吊裝的要求。

1 機車發運吊具概況

本次分析計算的機車發運吊具主要由機車吊架、車體吊銷和鋼絲繩組成。機車吊架主要由材質均為Q235-A的橫向和縱向撐桿組裝而成?？v向撐桿主要由L100×100×8和L50×50×5的角鋼焊接而成；橫向撐桿主要由L100×100×8和L50×50×5的角鋼焊接而成。車體吊銷為圓柱形，材質為45號鋼。鋼絲繩型號為6×19+FC-φ40，查國家標準鋼絲繩規格（GB/T 20118-2006）得到此鋼絲繩的型號見表1。

機車吊具在載荷作用下應能達到如下所述的安全系數：車體吊架的安全系數不小于2.2，σs=107MPa；車體吊銷的安全系數不小于2.5，σs=142MPa；車體吊鋼絲繩的安全系數不小于5。

2 機車發運吊具模型

2.1 幾何模型建立

本次計算使用的程序是NX I-DEAS 5.0。該軟件集CAD與CAE成一體，建模效率高，求解迅速，后處理功能強大。

在有限元數值模擬計算中用的幾何模型和實際結構是有區別的，是經過簡化的符合計算要求的模型。在有限元分析中薄板主要采用二維殼單元模擬，形狀復雜和厚板結構采用三維體單元模擬，所以在幾何建模時采用面和體結合的建模方法。具體幾何模型及裝配見圖1～5。

2.2 有限元模型

由于機車吊架基于縱向中心面對稱，并且所受的載荷也是對稱的，因此取1/2結構進行有限元分析。采用四節點四面體單元和殼單元進行結構離散，共劃分379073個單元和212687個節點。由其結構特點和力學性質可得：當取1/2結構進行有限元分析計算時，約束施加在吊具結構的對稱面上；載荷施加的大小為11.895t。

車體吊銷采用六面體單元進行模擬，共劃分87600節點76080單元，載荷18.75t分別作用在鋼絲繩與其接觸的位置；在吊銷銷體的相應位置設置軸向約束。吊銷有限元網格劃分，如圖7所示：

3 機車吊具有限元強度分析

3.1 機車吊架應力分析

經過有限元分析計算，機車發運吊架節點的最大位移為1.59mm，節點的最大Mises應力為94.7MPa，發生在端板與縱支承槽鋼的交接處。實際安全系數為235/94.7=2.48，大于設計要求的2.2，即小于材料的許用應力107 MPa，節點的Mises應力分布如圖8、9所示。

3.2 吊銷應力分析

經過有限元分析計算，車體吊銷節點的最大位移為0.127mm，節點位移分布如圖10所示；最大Mises應力為112MPa，發生在吊銷體與底架側梁接觸處。實際安全系數為355/112=3.17，大于設計要求的2.5，即小于材料的許用應力142MPa，節點的Mises應力分布如圖11所示。

4 車體吊鋼絲繩強度校核

車體吊鋼絲繩的型號為6×37+FC-φ48，由表1得鋼絲繩破斷拉力總和不小于1423.9kN，鋼絲繩的安全系數為K=5，鋼絲繩的許用拉力為：

鋼絲繩的許用拉力=鋼絲繩破斷拉力總和/K=1423.9kN/5=284.8kN

用四根鋼絲繩吊75t重的機車，每根繩長13.5米，聯接機車端鋼絲繩承受的拉力為F1，聯接吊車端由結構特點得所承受的拉力F2：

F1=75×9.8/4=183.75kN

按力的分析得出聯接吊車端承受的拉力F2為213.13kN，大于F1，小于鋼絲繩的許用拉力284.8kN。

5 結束語

香港機車發運吊架和吊銷結構的實際安全系數均大于設計預定的安全系數，即應力均小于許用應力，強度滿足要求，性能可靠。采用有限元數值模擬的方法計算吊具的強度，可以提高設計效率，保證安全，為機車的發運吊裝提供依據。

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作者簡介：王玉艷（1977-），女，黑龍江雞西人，講師，碩士，研究方向：機車車輛結構強度分析。

作者單位：大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧大連 116028

基金項目：遼寧省教育廳項目（項目編號：L2012164）。