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| 有限元分析在集电弓弹簧设计中的应用 | |
| 永济电机厂 高小平 | |
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摘要：利用大型通用有限元分析软件ANSYS对应用于某型号轨道车的集电弓的运动过程及受力变形进行了模拟分析，计算出整个运动过程中弹簧的受力变化情况，确定了弹簧的刚度。为设计提供了直观可靠的依据，是有限元法在静力运动学中的一次成功应用。
关键词：ANSYS，静力运动学，有限元法
1 前言
在工程结构设计过程中，当系统结构在一定载荷下，应变很小，但是位移较大，材料线元素有较大的转动时，平衡方程和几何关系都将是非线形的。这种由于大位移和大转动引起的非线性问题称为几何非线性。
在涉及几何非线性问题的有限单元法中，通常都采用增量分析方法，主要有总体拉格朗日法和更新拉格朗日法。
总体拉格朗日方法适合于非线性弹性问题，而更新的拉格朗日法适于大转动的梁和壳结构分析，在曲率项中直接引入几何非线性项，如集电弓的变形过程。
在集电弓设计过程中，由于其系统构成较为复杂，不仅各个部件截面形状及材料构成各不相同，而且许多部件是通过铰接和弹簧联接，在运动过程中，用传统的方法根本无法确定其具体运动轨迹，所以也无法计算运动过程中各个部件的受力情况，而用有限元分析法却能对其整个运动过程完全模拟出来，是类似集电弓等结构设计的有力工具和有效的途径。
2 模型描述
集电弓运动位置如图1所示，竖直位置为平衡位置，集电弓安装好后，不受其他外力的作用，在自身的重力和弹簧作用的情况下，转臂与水平成30度角，方向转臂、弓头与水平成90度角的位置上处于平衡。计算其向左偏转40度和向右偏转40度时在各个位置以及运动过程中的压缩弹簧和拉伸弹簧的受力情况。集电弓系统的三维模型如图2所示。3 有限元模型建立
根据物理模型建立有限元模型如图3所示，用BEAM188单元自定义11种形状截面建立基本构架，用COMBIN7单元模拟吊板与转向臂的铰接和转向臂与转臂的铰接，用COMBIN14单元模拟四根拉伸弹簧和一根压缩弹簧。材料分别由Q235钢、铸铝和尼龙构成。约束转动轴除Z向转动自由度外所有的自由度。4 分析计算
4.1确定压缩弹簧的初始受力及初始压缩量
对所有弹簧任意给定一倔强系数，经过计算可知在平衡位置只受重力时,压缩弹簧受力为640N。根据设计经验设压缩弹簧倔强系数为20N/mm,则初始压缩量为30mm时集电弓可处于平衡位置。
4.2 弓架向左偏转40度时受力分析
根据设计经验，设拉伸弹簧倔强系数为10N/m，在压缩弹簧一端施加600N的压缩力，弓头顶部施节点加X向-600mm、Y向-200mm的位移，打开几何非线性分析，共分为570个载荷步进行分析，子步用自动选项。根据计算则：
压缩弹簧受力与载荷步的关系曲线如4图所示，由图可知在偏转过程中，弹簧受的力先由600N增大到600+175＝775N，后减小到600-100＝500N。
拉伸弹簧（上边弹簧其中之一）受力与载荷步的关系曲线如图5所示,由图可知弹簧的最大受力为：180N。
弓头处受力与载荷步关系如图6所示，最大为52N。4.3弓架向右偏转40度时的受力分析
其他设置不变，在弓头顶部施节点加X向600mm、Y向-200mm的位移，则：
压缩弹簧受力与载荷步关系曲线如图所示，由图7所示可知在偏转过程中，弹簧受的力先由600N增大到600+120＝720N，后减小到600-20＝580N。
拉伸弹簧（下面弹簧其中之一）受力与载荷的关系曲线如图8所示,由图可知弹簧的最大受力为：280N。图7 右偏转40度时压缩弹簧受力曲线 图8右偏转40度时拉伸弹簧受力曲线弓头处受力与载荷步关系如图9所示，最大为52N。
4.4 集电弓应力分析
根据观察，可知在左偏转40度时，集电弓系统所受应力最大,对于钢材结构其值为16MPa,最大应力部位在转动轴部位和方向转臂部位，断裂保险系数为450/16＝28。尼龙棒所受最大应力为2MPa，其断裂保险系数为40/2＝20。5 结论
通过分析计算动态的模拟出集电弓的整个运动过程，其运动轨迹符合实际工作的运行状况。
计算出压缩和拉伸弹簧的最大受力分别为770N和280N,弓头的最大受力为56N,认为假设弹簧的刚度系数可满足工作需要，符合设计要求，确定了弹簧的刚度系数。
计算出集电弓系统的应力情况，认为其等效应力远低于其断裂应力，且尼龙棒的保险系数低于钢管的保险系数，设计合理。
[参考文献]
1. ANSYS结构非线性培训手册
2. ANSYS基本分析过程指南
1/7/2007 | |
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