机车高圆簧的有限元分析王生武.pdfVIP

第32卷第4期 铁道机车车辆 V01．32No．4 2012年8月 RAlLWAYLOCOMOTlVE8乙CAR Aug． 2012 文章编号：1008—7842(2012)04—0025—03 机车高圆簧的有限元分析 王生武，李晓苏，吴昌华 (大连交通大学，辽宁大连116028) 摘 要针对机车高圆簧计算的传统力学方法，提出了与高圆簧实际情况更为相符的有限元计算模型并进行了计 算分析。模型考虑高圆簧支撑圈几何形状的变化．计人了弹簧两端的橡胶垫，考虑了弹簧变形时几何非线性和接 触非线性条件，并根据机车通过曲线等高圆簧工作的实际工况进行了计算。有限元计算结果表明，弹簧受力时横 截面上存在很大的法向应力，尤其在通过曲线时其法向应力甚至增大到了不容忽略的程度；弹簧两端橡胶垫起到 了降低法向应力的作用；高圆簧上显示着远比传统力学方法计算结果更为复杂的应力分布。而传统的力学计算方 法只能计算出弹簧在轴向压力工况下的刚度和剪切应力。 关键词机车；高圆簧；有限元；接触问题；几何非线性 中图分类号：U260．331+．4文献标志码：A doi：lO．3969／j．issn．1008—7842．2012．04．06 随着铁路向着高速、重载方向的快速发展，机车车 看成等截面直杆来进行分析，由此得到高圆簧的纵向变 辆的动力学性能越来越被重视，对车辆运行品质的要求 形量A及刚度C。 也越来越高。机车车辆悬挂系统参数和轨道系统参数 A一8FD3竹／G矗4 (1) 等对机车车辆动力学性能、曲线通过性能及运行稳定性 C—G矗4／8D3以 (2) 等具有重要的影响。作为机车上的二系悬挂装置，因其 式中D，d分别是簧圈直径和簧丝直径；理是弹簧有效圈 具有良好的减振效果等优势，在现代机车车辆上得到广 数；G是剪切弹性模量；F是弹簧所承受的轴向力。 泛应用，是决定机车动力学性能的重要构件之一，因此 在计算剪切应力时引进曲率(愚)的影响，按式(3)计 高圆簧的力学分析计算也是一个重要内容。 算： 然而，在高圆簧生产和开发的设计计算中，其刚度 ，8FD 计算等至今仍然沿用材料力学的简化计算方法，或者是 ‰z2足丽 直接依靠工程经验来完成。这种方法的计算模型是将 弹簧看成等截面弹性直杆，再利用试验数据确定修正系 其中忌一舞+半，c一导 (3) 数，完全忽略了高圆簧的实际结构、上下端弹簧丝几何 形状的变化[1’2]。另一方面在计算中仅仅考虑计算剪应 力，但当机车运行过曲线时，高圆簧要承受很大的弯矩， 法向应力值相当可观。近年来出现了用有限元法算法， 但由于在分析中没有考虑上下两端的橡胶垫板的接触 非线性、弹簧变形的几何非线性等力学非线性问题，计 算结果仍不太理想。本文使用ABAQUS软件，在考虑 上述各类非线性问题的条件下，模拟机车通过曲线等各 种真实工况，对高圆簧进行了分析。 l高圆簧的计算 1．1 高圆簧的材料力学方法计算 材料力学对一般弹簧的计算原理是将弹簧丝近似 图l 高圆簧实体模型 图2 高圆簧有限元模型 王生武(1960一)男，内蒙古兴和人，教授(修回日期：2012一03—05) 万方数据 铁道机车车辆 第32卷 但该方法未考虑法向应力。 论上看，20节点等参元比8节点等参元精度更高，但由 本文取某机车二系悬挂的高柔度等截面螺旋压缩 于网格划分得足够密，不同单元类型对本算例计算结果