摘要:本文以SKTB-200型高速转向架基础制动装置为研究对象,利用HyperWorks软件强大的前处理功能,建立系统的有限元模型;利用其后处理模块,分析各子结构与系统的前六阶弹性体模态频率及振型,为系统振动响应分析提供了重要的参数支撑,同时也为结构的改进设计提供了依据。
关键词:基础制动装置 有限元分析 模态分析 模态频率 HyperWorks
0概述
近年来,随着我国高速铁路的迅猛发展,人们对高速列车的运行稳定性,安全性与舒适性的要求也越来越高,因此高速转向架制动装置的可靠性就显得尤为重要。
SKTB-200型高速转向架的基础制动系统采用浮动液压卡钳式基础制动装置,如图1所示,该结构由夹钳本体,支持架与安装座三大部分组成。制动夹钳本体采用悬臂式的安装方式,结构小型,轻量,内有液压制动缸。
SKTB-200型转向架在高速运行中产生的振动通过支持架传导至夹钳本体,制动时,活塞在液压力的作用下伸出,夹钳本体沿支持销滑动,直到两侧闸片全部紧贴制动盘实施制动。 (图片)
图1 SKTB-200型高速转向架基础制动装置实体模型 1系统有限元模型的建立
建立的耦合模型包括基础制动系统的各制动部件(夹钳本体、横向支持销、支持架、安装座)。按照确定的连接方式,建立子结构与系统的有限元模型。为便于更好的进行有限元模型的分析,有必要对模型进行设置与结构上的简化,比如去掉了支持架顶端的倒角,圆角,安装座上的通孔,以及支持销上的横向弹簧等,这些结构上的简化对建模和计算都非常有利。简化后的子结构及模型的材料属性定义为:弹性模量为2.1x105MPa,泊松比取0.3,密度为:7.85x10-9t/mm3。网格统一采用solid45四面体单元,单元特征角度均为45度,最小单元尺寸均采用为2mm。为了节省计算时间,在满足仿真精度要求的前提下,各子结构分别采用了不同的单元尺寸,夹钳本体为10mm,支持架与安装座为8mm,而横向支持销为承载的关键部件,故采用较为稠密的网格,尺寸为4mm。各部件子结构与系统的三维有限元模型如图2所示。(图片)
图2 各部件的三维有限元模型 由于模型的计算规模较大与计算机计算能力所限,需要进一步简化网格,将夹钳本体,安装座与支持架统一单元尺寸为10mm,而横向支持栓销的单元尺寸仍采用4mm,这样所形成的系统有限元模型如图3所示,系统共离散为91701个节点,340786个单元,其它材料参数,单元属性定义不变。(图片)
图3 基础制动系统的有限元模型 2 系统的有限元模态分析结果
根据建立的系统有限元模型,在HyperMesh软件中进行约束与载荷的建立,利用OptiStruct进行仿真分析,然后由HyperView读出结果。采用分析得到的模态参数(主要是频率和振型)来代替复杂的有限元模型。取其前12阶模态 ,前6阶为模型的刚体模态,本文略去介绍,只考虑第7~12阶的弹性体模态。
系统的结构振动感兴趣前六阶弹性体模态振型如图4所示。(图片)
图4 模型模态计算的振型图
(a) 第7阶振型;(b)第8阶振型;(c)第9阶振型;(d)第10阶振型;(e)第11阶型;(f)第12阶振型; 图4(a)与(d)中系统的第7,10阶模态振型,主要表现为夹钳本体侧向弯曲振动。
图4(b)与(c)中系统的第8,9阶模态振型,主要表现为夹钳本体绕纵向的扭转振动。
图4(e)中系统的第11阶模态振型,主要表现为夹钳本体侧向弯曲与绕纵向扭转振动。
图4(f)中系统的第12阶模态振型,主要表现为安装座的绕横向的扭转振动。
提取各子结构有限元仿真模型感兴趣的7~12阶模态频率,分析各子结构所得到的前6阶弹性体模态频率结果分别如表1,表2和表3所示。(图片) 利用HyperWorks的后处理模块仿真计算出该系统的前6阶弹性体模态频率具体见表4所示。(图片) 3结语
本文通过对SKTB-200型高速转向架基础制动装置进行有限元模态分析,得到了系统的前六阶弹性体模态频率与振型,为分析结构的动力响应和其他动力学问题提供理论依据。通过对比分析表1~4的数据,可以得出以下两点结论:
第一,由于高速转向架在以初速V=200km/h实施紧急制动的过程当中,其来自制动盘的激振频率(≤21hz),均不会与系统和子结构发生共振。
第二,整体系统的第10阶模态频率(363.5Hz)和夹钳本体的第10阶模态频率(384.35Hz)较为接近,来自制动盘的激励可能导致该基础制动装置的第10阶扭转共振。
HyperWorks 是一款优秀的有限元分析软件,通过高性能的有限元建模和后处理可以大大缩短工程分析的周期。
4参考文献
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[3]曾攀.有限元分析及应用.北京:清华大学出版社,2004
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1/29/2013
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