城市轨道交通有限元分析大作业报告.docx
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城市轨道交通有限元分析大作业报告
《有限元分析》大作业报告
作业名称:
上海地铁小S辐板车轮
有限元分析
学院轨道学院
专 业车辆工程
学号*********
姓名董其炜、王耀、高伟
2013年11月10日
一、问题描述
在经济发展的基础上，现代城市人口大量增加，地域不断扩大，地面交通已无法适应由经济活动和人民生活产生的日益增长的运量需求。
城市交通堵塞、交通事故、噪音和空气污染日益影响着人们的工作、生活。
因此，必须有一个快捷、安全、舒适、大运量、低能耗、少污染的城市交通工具。
地铁正是这样一种理想的现代化的城市交通工具，它们的主要任务是快速输送城市客流，是一种独立的有轨交通系统，其正常运行不受地面道路拥挤的影响，能够按照设计的能力正常运行，实现快捷、安全、舒适地运送乘客。
轨道交通以其运量大、速度快、占地省、污染少、准点、舒适的优势已成为现代化城市的主要交通工具。
因此，世界各国都不同程度的发展了城市轨道交通，以缓解城市交通压力。
同时，在地铁运行当中，轮对承担着车辆的全部重量，且在轨道上高速转动，同时还承受从车体通过构架、钢轨两方面传递来的其它各种静、动作用力，受力很复杂。
因此，对车辆轮对的要求是：
应有足够的强度，以保证在容许的最高速度和最大载荷下安全运行；应能满足列车在正常及故障运行时制动热负荷的要求；应在保证足够强度和一定使用寿命的前提下，使其重量最小，并具有一定的弹性，以减小轮轨之间的相互作用力；应具备阻力小和耐磨性好的特点，这样减少对牵引动力的要求并能提高车轮使用寿命；应能适应车辆直线运行，同时又能顺利通过曲线，还应具备必要的抗脱轨、抗倾覆等安全性的要求。
其结构如图1所示。
图1地铁车轮结构示意图
本次分析使用的是上海地铁小S形辐板车轮，二维设计图纸如图2所示：
图2小S型辐板车轮二维设计图
二、数学模型
2.1车轮的载荷工况
根据EN13104和EN13262标准，考虑了作用在车轮上的垂向载荷、横向载荷、纵向载荷、AW3工况下的最大闸瓦压力和AW3工况下车轮-闸瓦间的摩擦力，依据作用情况和作用方向进行排列组合，考虑有闸瓦压力和无闸瓦压力两种情况，得到24种工况，如表1所示。
表1车轮所受应力的所有工况
纵向载荷Px
横向载荷Py
垂向载荷Pz
闸瓦压力Pbn
闸瓦摩擦力Pbf
工况1
35016
50280
157572
/
/
工况2
35016
-50280
157572
/
/
工况3
-35016
50280
157572
/
/
工况4
-35016
-50280
157572
/
/
工况5
35016
50280
75868
/
/
工况6
35016
-50280
75868
/
/
工况7
-35016
50280
75868
/
/
工况8
-35016
-50280
75868
/
/
工况9
35016
50280
157572
42778.1
12833.4
工况10
35016
-50280
157572
42778.1
12833.4
工况11
-35016
50280
157572
42778.1
12833.4
工况12
-35016
-50280
157572
42778.1
12833.4
工况13
35016
50280
75868
42778.1
12833.4
工况14
35016
-50280
75868
42778.1
12833.4
工况15
-35016
50280
75868
42778.1
12833.4
工况16
-35016
-50280
75868
42778.1
12833.4
工况17
35016
50280
157572
42778.1
-12833.4
工况18
35016
-50280
157572
42778.1
-12833.4
工况19
-35016
50280
157572
42778.1
-12833.4
工况20
-35016
-50280
157572
42778.1
-12833.4
工况21
35016
50280
75868
42778.1
-12833.4
工况22
35016
-50280
75868
42778.1
-12833.4
工况23
-35016
50280
75868
42778.1
-12833.4
工况24
-35016
-50280
75868
42778.1
-12833.4
这里将轮轨接触力全部载荷加于一个节点，这与实际情况有差别，实际轮轨接触时为一接触斑。
由圣维南原理可知，这只对施加载荷的局部区域的应力值与应力分布有影响。
对于较远离载荷的区域可以认为没有影响或误差可以接受。
基于以上原因这里不关心轮轨接触点应力值（与实际应力值会有较大偏差），而考察除此小区域之外的应力分布。
这里所提供的最大应力值和应力云图是“隐藏”轮轨接触点附近后的结果。
工况1-8是不施加制动力的工况。
工况9-24是施加制动力的工况，其中工况9-16与工况17-24的摩擦力方向相反，闸瓦正压力相同。
由于制动力数值上与轮轨接触力相比数值较小，而且均是面力，闸瓦正压力和摩擦力的施加对每种工况下最大应力值及车轮整体应力分布影响很小。
所以本次分析选择工况9和工况10，并改变工况9条件下的网格节点，作为对比分析，以说明网格划分精度对结果的影响。
2.2车辆车轮的载荷计算
图3车轮受力情况
将AW3工况时视为超员情况，每平方米站客视为9人。
56位坐客,每位乘客计为65KG/人拖、Mp、动站立面积均为45平方米
总人数461人，轮16t
B、C车车体重量<38t所以取38t
总重：
38＋461×65/1000=67.41t>16t×4＝64t
M轮=1357kg
m1=TX1000-m3=16X1000+3400-1357=18043kg
轴颈中心线间距选择为1940mm，车体重心高选择为1.6m，于是有：
P1=（0.625+0.0875h1/b）m1g
=（0.625+0.0875×（1.6×1000）-840/2）/（1940/2））×18043×9.8=129334N
P2=（0.625-0.0875h1/b）m1g
=（0.626-0.0875×（1.6×1000-840/2）/（1940/2））×18043×9.8=91692N
Y1=0.35m1g=61887N
Y2=0.175m1g=30994N
H=Y1-Y2=0.175m1g=30994N
依据EN13104：
2001，有：
Q1=[P1（b+s）-P2（b-s）+（Y1-Y2）R-F1（2s-yi）]/2s
Q2=[P2（b+s）-P1（b-s）-（Y1-Y2）R-F1yi]/2s
由于F1对于不同的转向架数值不同，而且Y1也不同。
为了对比分析车轮的强度，本分析中，采用相对安全的载荷，即不考虑F1载荷的作用，此时所计算出来的Q1和Q2是偏安全的，其计算如下：
Q1=[P1（b+s）-P2（b-s）+（Y1-Y2）R]/2s
=[129334x（1940+1493）/2-91692（1940-1493）/2+30994x840/2]/1493=143674N
Q2=[P2（b+s）-P1（b-s）+（Y1-Y2）R]/2s
=[91692x（1940+1493）/2-129334（1940-1493）/2-30994x840/2]/1493=77352N
选择增载侧的车轮进行计算，并考虑AW3工况下闸瓦压力和摩擦制动力，于是作用在车轮上的各向载荷如下：
（1）垂向载荷Pz=143.67±35%KN；
（2）横向载荷Py=±61.887KN
（3）纵向载荷Px=±143.67X0.3KN=±143KN
（4）AW3工况下的最大闸瓦压力Pbn=42778.1KN；
（5）AW3工况下车轮/闸瓦摩擦力Pbf=42778.1*0.3=12833.4KN
三、有限元建模
3.1单元选择
单元类型采用SOLID95。
SOLID95是比3-D，8节点固体单元SOLID45更高级的单元。
它能够吸收不规则形状的单元而精度没有损失。
SOLID95单元有可并立的位移形状并且对于曲线边界的模型能很好的适应。
单元由20个节点定义，每个节点有三个自由度：
在节点x，y，z方向的平移。
单元可能有任何的3-D方位。
SOLID95有塑性，蠕变，应力刚度，大变形，以及大应变能力。
各种打印输出控件均可用。
图4SOLID95节点图形
3.2材料模型
考虑惯性力的静力学分析中必须定义材料的弹性模量和密度。
根据条件分析，假定材料是线弹性的,即认为材料不出现屈服。
材料属性设置如下：
密度7.8g/cm3，弹性模量：
2E+011pa和泊松比:
0.3。
3.3网格划分方案
通过菜单栏workplane>alignwpwith>keypoints，选择关键点，并将车轮平均分成两半，方便后续的网格划分工作。
（1）设置单元类型
点击左侧工具区中的elementtype，选择add/edit/delete,选择solid20nodes95。
单元由20个节点定义，每个节点有三个自由度：
在节点x，y，z方向的平移。
单元可能有任何的3-D方位。
SOLID95有塑性，蠕变，应力刚度，大变形，以及大应变能力。
（2）划分网格
点击左侧工具区中的（meshing），选择meshingtool进行网格划分，其中linesset数值为20，得到如图5所示网格模型。
本模型共有节点数72896，单元数14338。
图5划分好网格的车轮
3.4载荷及边界条件处理
1）施加位移约束
由车轮的工作原理知，车辆在运行时，轮毂处与车轴是固定不动的，存在约束。
拾取轮毂内侧面，进行约束，选择（alldof）作为约束自由度。
完成后如图6所示。
图6约束好的车轮模型
2）施加压力载荷
当闸瓦以压力F作用于车轮踏面上时,产生切向滑动摩擦力作用于车轮,而车轮以等值的反作用力T作用于闸瓦。
根据轮对动态弯曲疲劳试验，力的加载位置有三处：
施加一是车轮轮毂内表面，施加的是固定载荷约束；二是车轮踏面与闸瓦接触处闸瓦压力与闸瓦摩擦力；三是车轮踏面与钢轨接触处的三项载荷。
所以，所需要施加的约束为：
（1）在车轮轮毂内表面施加Displacement（AllDOF）约束，即所有六个自由度全约束作为固定约束。
（2）轮车轮踏面与闸瓦接触处施加Force的闸瓦压力与闸瓦摩擦力。
（3）轮车轮踏面与钢轨接触处施加Force的垂向，纵向，横向载荷。
图7施加载荷后的模型
四、计算结果及结果分析
（1）显示未变形图
点击菜单栏plot/elements，，显示出未变形时的网格模型。
如图8所示。
图8未变形时的网格模型
（2）显示变形图
点击左侧工具栏，generalpostproc/plotresults/deformedshape出现一个对话框选def+undeformed点击ok，出现位移变形图，如图9所示。
图9工况9变形后的网格模型
（3）显示云图
点击左侧工具区中的（Plotresults）,显示出Mises应力的云图。
如图10所示。
通过查询可知工况9最大应力点为16791节点，最大应力为77.8102Mpa<327Mpa。
通过查询可知工况10最大应力点为17851节点，最大应力为101.944Mpa<327Mpa。
图10工况9应力云图
图11工况9最大应力点出现位置
图12工况10应力云图
图13工况10最大应力部分
五、多方案计算比较
1）改变单元数目
将meshingtool中的lineset长度从20改为15。
单元数由14338变为29880，节点数由72896变为145260。
图14改变单元数后划分的网格
图15变形图
图16应力云图
图17最大应力点部分云图
点击左侧工具区中的（Plotresults）,显示出Mises应力的云图。
如图14所示。
通过查询可知最大应力点为4148节点，最大应力为109.668Mpa<327Mpa。
六、总结
通过对车轮划分精度的改变，可以得出不同的结果，划分精度越精确，得到的结果越好。
同时，由于精度划分的提高，对电脑的性能要求大大的提高。
例如，本次通过lineset的改变，将数值由20改为15，计算分析的时间提高了3倍左右。
而且结算结果也出现了较大的变化。
相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程，是一门相当难学的软件，因而，要学好ANSYS，仅仅依靠上课的教学是远远不够的。
首先学习ANSYS要求我们有比较扎实的力学理论基础，对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断，可以说，理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平；另一方面，我们也不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。
毫无疑问，刚开始接触ANSYS时，我们只是在僵硬的模仿，在今后的学习中，我们需要加深对有限元单元法及其基本概念的理解。
同时，学习ANSYS，需要有耐心，很多步骤错误之后很难继续开始。
因此在计算的过程中，需要对结果进行不断的保存。
在学习的过程中不要郁闷，多思考。
对初学者而言，感觉ANSYS特别费时间，又作不出什么东西，没有成就感，容易产生心理疲劳，缺乏耐心。
“苦中作乐”应是 我们学ANSYS所必须保持的一种良好心态，往往就是那么一个ERROR就能让问题没有任何进展，遇到这种情况要能调整自己的心态，坦然面对，要有耐心，针对问题积极思考，发现原因，坚信没有自己解决不了的问题，要能把解决问题当作一种乐趣，时刻让自己保持愉快的心情，真正当你对问题有突破性进展时，迎接的必定是巨大的成就感。
附件1：
小组成员工作说明
组长：
董其炜101110132
工作内容：
计算车轮载荷、对车轮进行有限元分析
组员：
王耀101110131、高伟101110130
工作内容：
报告撰写
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