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起重機(jī)輪軌接觸分析的參數(shù)化建模方法及其應(yīng)用

2018-02-01 15:45:41謝吉強(qiáng)
計(jì)算機(jī)輔助工程 2017年4期
關(guān)鍵詞:踏面輪軌起重機(jī)

謝吉強(qiáng)

摘要:為準(zhǔn)確快速地對起重機(jī)鋼制車輪踏面與軌道接觸應(yīng)力的分布狀況進(jìn)行有限元分析,運(yùn)用ANSYS APDL參數(shù)化建模,建立常見的起重機(jī)車輪與軌道接觸分析的數(shù)值模型。該模型通過輸入必要的車輪幾何參數(shù)、網(wǎng)格劃分參數(shù)和載荷參數(shù)即可自行完成實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分、載荷施加和求解。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果證明整合幾何參數(shù)化和網(wǎng)格劃分參數(shù)化的建模方法可大大提高起重機(jī)輪軌接觸分析效率。

關(guān)鍵詞:起重機(jī);輪軌接觸;車輪踏面;接觸對;彈塑性分析;APDL;命令流;全積分單元;有限元

中圖分類號:TB125;TH213.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

0引言

起重機(jī)輪軌接觸系統(tǒng)包括起重機(jī)的軌道車輛和起重機(jī)的輪軌。對此,國內(nèi)外的學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行過大量的研究,其中既有基于赫茲接觸理論的彈性解析解,也有將車輪和軌道材料的塑性變形考慮在內(nèi)的有限元計(jì)算實(shí)例,既有靜力學(xué)分析又有動力學(xué)分析,同時,對不同的算法之間的比較和多點(diǎn)接觸問題,也有較深入的研究。

普遍認(rèn)為,僅考慮材料彈性特征的赫茲接觸計(jì)算只適用于設(shè)計(jì)初期的粗略估算,與輪軌接觸的實(shí)際狀況相差較遠(yuǎn),因此,有必要進(jìn)行更加深入的研究?;诖耍褂肁NSYS APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言,編寫通用性較強(qiáng)的起重機(jī)輪軌接觸命令流,對輪軌之間的三維彈塑性接觸應(yīng)力的分布進(jìn)行快速便捷的有限元分析,從而加深對車輪踏面開裂、剝離、靜強(qiáng)度和接觸疲勞問題的研究,并通過具體的應(yīng)用,驗(yàn)證模型的適用性。

1車輪和軌道的參數(shù)化建模

1.1材料屬性

車輪的材料牌號一般選用碳鋼或低合金鋼,坯料一般選擇鍛造或鑄造成型。盡管國內(nèi)外各種起重機(jī)規(guī)范中依然有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號,但隨著起重機(jī)大型化和高速化,越來越多的起重機(jī)車輪傾向于采用綜合性能更優(yōu)越的低合金鋼,其熱處理工藝普遍采用調(diào)質(zhì)+踏面表面淬火,或正火+整體加熱局部淬火。本文車輪材料采用低合金鋼42CrMo,采用JMatPro計(jì)算的應(yīng)力、應(yīng)變曲線定義材料屬性參數(shù)。接觸對使用MP命令將摩擦因數(shù)設(shè)置為0.1。

1.2單元類型

車輪和軌道均采用SOLID186單元進(jìn)行劃分,該單元具有20節(jié)點(diǎn),通過指定KEYOPT(2)值為1使其成為全積分單元。

車輪和軌道接觸對目標(biāo)單元選用Targe170,接觸單元選用Conta174,其中KEYOPT(5)設(shè)置為4,CNOF/ICONT Automated adjustment設(shè)置為“AutoICONT”,KEYOPT(9)設(shè)置為0,Effect of initial penetration or gap設(shè)置為“Include both initial geometrical penetration or gap and offset”.KEYOPT(10)設(shè)置為2,Contact stiffness update設(shè)置為“Each iteration based 0n current mean stress of underlying elements(pair based)”。

1.3主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化命名

先對車輪的主要尺寸進(jìn)行參數(shù)命名,起重機(jī)車輪的幾何參數(shù)可按實(shí)際項(xiàng)目選用的車輪幾何尺寸輸人。目前,起重機(jī)行業(yè)鋼質(zhì)車輪很大部分已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,軌道在起重機(jī)制作之前已作為碼頭基礎(chǔ)設(shè)施的一部分予以選型安裝完畢。軌道有各種不同的標(biāo)準(zhǔn),本文以DIN標(biāo)準(zhǔn)的起重機(jī)軌道為例。常見的起重機(jī)軌道和鋼制車輪的主要幾何參數(shù)見圖1和2。

1.4車輪模型建立與網(wǎng)格劃分

車輪結(jié)構(gòu)對稱,所以取1/4輪輻建立模型。使用直線或圓弧連接車輪截面關(guān)鍵點(diǎn),建立主體結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)截面的面域,見圖3。

對該截面進(jìn)行剖分,所有面域均為四邊形。輪轂內(nèi)孔圓柱面、輪輞踏面等預(yù)期應(yīng)力較為集中的區(qū)域,均采用邊界層的等比單元長度,以確保六面體單元的劃分。旋轉(zhuǎn)界面刪除對整體應(yīng)力分布影響較小的外圓角。

將面域回旋,建立構(gòu)成車輪主體的最小模型單元,見圖4?;匦慕嵌扰c輻板呈360/n度,其中n為輻板減重孔的數(shù)量。本文算例有2個減重孔。

輻板減重孔對輪輻應(yīng)力分布有一定影響,因此通過布爾運(yùn)算在輻板上建立減重孔,見圖5。

對已經(jīng)建立輻板減重孔的單元模型,再次實(shí)施布爾運(yùn)算,對實(shí)體模型進(jìn)行人為切割,劃分六面體單元網(wǎng)格,見圖6。

選取具有相同單元劃分?jǐn)?shù)量的線條,分別制定其單元大小(或數(shù)量),確保六面體單元的劃分。單元的大小通過參數(shù)控制指定,線條的選取由程序執(zhí)行已編制好的命令流自動完成。

在線條的單元大小、單元類型指定后,執(zhí)行網(wǎng)格劃分的命令,即可完成車輪實(shí)體模型單元網(wǎng)格劃分,見圖7。

1.5鋼軌模型的建立與網(wǎng)格劃分

以DIN536鋼軌為例說明軌道的參數(shù)化建模及網(wǎng)格化分方法。鋼軌的實(shí)體建模與車輪基本一致,即先根據(jù)軌道的幾何參數(shù)建立關(guān)鍵點(diǎn),連接關(guān)鍵點(diǎn)繪制線條,然后由線條構(gòu)成面域,由面域拉伸成為實(shí)體。面域的劃分已經(jīng)考慮到后續(xù)網(wǎng)格劃分的需要。軌道橫截面1/4模型見圖8。

鋼軌的網(wǎng)格劃分,同樣以盡可能的劃分六面體單元為原則,對不具備直接進(jìn)行六面體單元劃分的面域和實(shí)體進(jìn)行分割。鋼軌的六面體單元劃分效果見圖9。

軌道的1/4模型建好后,根據(jù)分析的類型(比如靜態(tài)或瞬態(tài)力學(xué)分析)以及整個模型是否存在對稱條件可以利用等情況,決定是否需要擴(kuò)展成完整模型。

需要說明的是,本文假設(shè)車輪和軌道中心面重合。在此假設(shè)的前提下,車輪和軌道模型最小可以簡化到1/4模型。如需考慮車輪與軌道中心的偏離,則至少應(yīng)將1/4模型擴(kuò)展到1/2模型,偏移量可以在命令流中使用參數(shù)予以指定。

1.6車輪踏面和鋼軌接觸對的建立

選用目標(biāo)單元Targe170和接觸單元Conta174建立接觸對,結(jié)果見圖10。endprint

踏面與軌道的接觸是分析的重點(diǎn),因此,接觸對建立完畢或者車輪和軌道的單元劃分完畢后,檢查踏面與軌道接觸區(qū)域的單元分布狀況,初步判斷是否需要增加單元密度。某應(yīng)用實(shí)例的接觸區(qū)域單元分布狀況見圖11。

該模型的優(yōu)越性在于所有建模過程均為命令流的形式,因此,可以通過控制單元長度等參數(shù)以及可利用的硬件條件等計(jì)算資源,靈活地對網(wǎng)格密度予以控制。

1.7邊界條件指定

指定xy和yz平面為對稱邊界條件,利用對稱性減少計(jì)算規(guī)模,從而減少求解時間,降低求解對計(jì)算機(jī)硬件的需求。鋼軌的底平面施加y向位移約束,完整模型見圖12。

1.8載荷施加

為簡化模型,將車輪軸對車輪內(nèi)孔的作用力等效為余弦分布的節(jié)點(diǎn)力。通過計(jì)算求得節(jié)點(diǎn)力的基數(shù),然后再使用ANSYS的函數(shù)將具體的節(jié)點(diǎn)力表達(dá)成為節(jié)點(diǎn)的x和y坐標(biāo)的函數(shù)。加載后的節(jié)點(diǎn)力分布見圖13。

2求解和后處理

建模完成后進(jìn)人求解器,設(shè)定求解參數(shù)提交求解,然后進(jìn)入后處理器讀取結(jié)果。直徑d=900 mm,踏面寬度W2=177 mm的車輪,在50 t輪壓作用下,輪軌接觸的等效應(yīng)力分布見圖14和15。通過PPATH,PDEF和PLPATH命令在重點(diǎn)關(guān)注的應(yīng)力值分布區(qū)域內(nèi)定義路徑,將需要了解的計(jì)算項(xiàng)目結(jié)果映射入路徑,以坐標(biāo)圖的形式打印出來,可以判斷應(yīng)力峰值出現(xiàn)的深度。車輪接觸斑中心踏面以下的等效應(yīng)力和第一主應(yīng)力隨深度變化的曲線分別見圖16和17。

通過PRPATH命令將已定義并進(jìn)行映射操作的路徑計(jì)算項(xiàng)目結(jié)果以表格的形式顯示出來。車輪接觸斑中心踏面以下不同深度的等效應(yīng)力值見圖18。由此可見,在50 t輪壓條件下,該型車輪的踏面以下等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在踏面以下4.32 mm左右深度處,峰值為1 106.5 MPa左右,說明等效應(yīng)力最高的地方并非出現(xiàn)在車輪踏面表面,而是踏面以下某一深度處。

由車輪踏面中心起,車輪踏面接觸斑中心軸向等效應(yīng)力和第一主應(yīng)力變化曲線見圖19和20。由此可以用于評估在一定的輪壓下,接觸斑中心起沿軸向第一主應(yīng)力達(dá)到峰值的距離。以本文算例看,應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離車輪中心18.1 mm處,第一主應(yīng)力達(dá)到285.4 MPa。

車輪踏面接觸斑中心起,沿圓周方向等效應(yīng)力和第一主應(yīng)力變化曲線見圖21和22。

以上均是遵循第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力和遵循第一強(qiáng)度理論的第一主應(yīng)力,更多需要考察的項(xiàng)目,可以同樣使用后處理的路徑操作功能進(jìn)行讀取。

4結(jié)論

運(yùn)用ANSYS APDL語言建立某起重機(jī)通用的雙輪緣車輪與軌道接觸的有限元模型,并對具體的車輪與軌道的接觸進(jìn)行計(jì)算分析,證明利用ANSYSAPDL語言對標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化有限元建模和分析可行,可以避免繁瑣的重復(fù)建模過程。

該通用有限元模型不僅可以通過更改車輪和軌道的幾何參數(shù)改變模型的尺寸規(guī)格,同時也可以通過修改輪壓等載荷參數(shù)考察相同尺寸規(guī)格的車輪在不同輪壓條件下的接觸應(yīng)力狀況,甚至可以按計(jì)算資源的情況,便捷地更改模型單元大小,從而在一定程度上提高分析精度。總的來說,該方法僅需少量的輸入,即可完成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的快速建模和分析,從而大大降低有限元分析的難度和繁瑣程度,提高工作效率。

該有限元參數(shù)化模型不僅具有便于使用的優(yōu)點(diǎn),同時具備一定的可擴(kuò)展性。比如擴(kuò)展成為完整的車輪和軌道模型(見圖23)、增加車輪軸(見圖24)以考察軸的彎曲變形,或考察軸與車輪的過盈配合應(yīng)力分布等,或進(jìn)行車輪與軌道偏心狀態(tài)的接觸分析等。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,車輪和軌道的接觸應(yīng)力分析必須充分考慮車輪在制作過程中各道工序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,其中影響最大的應(yīng)屬踏面熱處理硬化后在踏面硬化層的殘余壓應(yīng)力。踏面硬化層的殘余壓應(yīng)力對提高車輪踏面的強(qiáng)度、耐磨性和疲勞壽命是有利的,但在踏面以下某一深度開始,殘余應(yīng)力將轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,該拉應(yīng)力可能是有害的。本文的模型未將踏面熱處理的殘余應(yīng)力考慮在內(nèi),有待進(jìn)一步改進(jìn)。endprint

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