特種集裝箱鐵路運(yùn)輸平車有限元優(yōu)化

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摘要：有限元法是一種常用且高效的計(jì)算手段。有限元法是根據(jù)變分原理演化而來(lái)的。隨著電腦科技的不斷發(fā)展，有限元法已經(jīng)以一種CAE技術(shù)形態(tài)展現(xiàn)在人們眼前。有限元法以其強(qiáng)大解析能力，受到各界設(shè)計(jì)人員的好評(píng)。本文以有限元法的概述為中心，分析了特種集裝箱鐵路運(yùn)輸平車的有限元優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：有限元法；優(yōu)化；特種集裝箱；鐵路運(yùn)輸平車；分析

若想對(duì)特種集裝箱鐵路運(yùn)輸平車進(jìn)行優(yōu)化，就必須先了解有限元法的基本思想，明確其步驟與優(yōu)勢(shì)，并且要對(duì)其軟件有一定的認(rèn)識(shí)。

1有限元法的概述

1.1有限元法簡(jiǎn)介

有限元法概念最早的出現(xiàn)，可以追溯到20世紀(jì)的40年代。是Courant在處理St.Venant扭轉(zhuǎn)問(wèn)題時(shí)，將有限元法初步概念在三角區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理上的。直至1956年，才出現(xiàn)第一次實(shí)驗(yàn)的成功，這是由Clough、Turner等人在處理飛機(jī)構(gòu)造彈性力學(xué)平面問(wèn)題的分析上，使用鋼架位移法，并在這基礎(chǔ)上,使用三角形單元算法解決了平面應(yīng)力的問(wèn)題。有限元法正式提出是在1960年，由Clough在處理平面彈性時(shí)得以認(rèn)證，并進(jìn)入了人們的視野。緊跟著電腦科學(xué)技術(shù)的快速成長(zhǎng)，有限元法的分析層面也得到了擴(kuò)充，從單獨(dú)的結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析，直接發(fā)展到現(xiàn)今的各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。并且由于有限元的分析應(yīng)用性廣、功能性強(qiáng)，其對(duì)于工程設(shè)計(jì)與開發(fā)的輔助性有著無(wú)與倫比的高效型，是現(xiàn)今科研技術(shù)企業(yè)保持恒久競(jìng)爭(zhēng)力最為優(yōu)秀的重要工具之一。

1.2有限元法的基本思想

有限元法的基礎(chǔ)理論思想就是將結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理。具體的說(shuō)，就是對(duì)于實(shí)際結(jié)果進(jìn)行離散化處理，獲得有限數(shù)目規(guī)則單位的結(jié)合體。分析其離散的結(jié)合體物理性就能夠達(dá)到對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)物理性分析的目的，通過(guò)計(jì)算分析得出的相似結(jié)果來(lái)替代復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)分析。

1.3有限元法具體分析步驟

將分析對(duì)象進(jìn)行離散化處理。其離散結(jié)果為有限數(shù)量單位，單位的數(shù)量依據(jù)計(jì)劃所需和計(jì)算的單位精度所定。其離散的單位數(shù)量越多，所得到的結(jié)果就會(huì)越接近實(shí)際的分析對(duì)象，相對(duì)的計(jì)算量也會(huì)隨之增大。對(duì)單位進(jìn)行特性的分析。由于位移法是在有限元法計(jì)算中經(jīng)常用到的，所以第一步就是需要選擇相應(yīng)的位移模式，也可以說(shuō)是位移函數(shù)。接下來(lái)就是對(duì)于單位力學(xué)性質(zhì)的分析，依據(jù)單位不同的性質(zhì)，對(duì)其各個(gè)方面進(jìn)行有目的性的分析，并分析出單位節(jié)點(diǎn)與其位移的關(guān)系式，得出單位剛度矩陣的分析結(jié)果。最后，再求出等效節(jié)點(diǎn)力，并將單位邊界的表面力、集中力有計(jì)劃的附加在節(jié)點(diǎn)上。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)用等效節(jié)點(diǎn)力的數(shù)據(jù)作為所有作用在單位上力的依據(jù)。單位組集。對(duì)于單位的組集就是對(duì)剛度矩陣的整體建立。利用其結(jié)構(gòu)中某種平衡力與邊界條件,將各個(gè)單位按照原始結(jié)構(gòu)重新組合。求解為止節(jié)點(diǎn)位移。使用有限元方程，獲得節(jié)點(diǎn)位移的相關(guān)數(shù)值，再根據(jù)數(shù)值對(duì)未知量進(jìn)行分析。

1.4有限元法分析的優(yōu)勢(shì)

其與常規(guī)的力學(xué)分析法相比，有限元分析的優(yōu)勢(shì)在于它可以分析一些復(fù)雜性較強(qiáng)，非均質(zhì)的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)。同時(shí)，對(duì)于復(fù)雜性較強(qiáng)的本構(gòu)關(guān)系、條件、荷載有限元法能夠起到一個(gè)良好的模擬作用。使用有限元法還可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)力分析。在此之上，由于其前處理與后處理技術(shù)的進(jìn)步，可以借鑒大量實(shí)際案例進(jìn)行對(duì)比分析，從而有力于結(jié)構(gòu)結(jié)果的計(jì)算，還能夠?qū)こ谭桨高M(jìn)行細(xì)致的增強(qiáng)與優(yōu)化。

2有限元法對(duì)于特種集裝箱運(yùn)輸平車分析的適用性

有限元法的用途廣泛，其對(duì)于特種集裝箱鐵路運(yùn)輸平車的評(píng)估有著巨大的幫助，這個(gè)幫助有著兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。一方面是，由于平車的體積比較大，用普通分析法，不但耽誤時(shí)間，而且還容易產(chǎn)生誤差，這將直接影響今后的使用。使用有限元法的離散處理，只對(duì)一部分分析，就能得到與實(shí)際相似的答案。使用有限元法，不但能夠節(jié)省時(shí)間，還能夠有效的實(shí)現(xiàn)測(cè)試目的。第二個(gè)方面是，有限元法面對(duì)不同的材料，也能夠在一定程度上進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)于有些力學(xué)分析法分析不了的材料，有限元法能夠從一定層面上彌補(bǔ)普通分析法的不足。并且有限元法在另一個(gè)角度。加強(qiáng)了技術(shù)人員對(duì)于分析車體的時(shí)效性，增進(jìn)了工作的效率。

3特種集裝箱鐵路運(yùn)輸平車有限元優(yōu)化分析

3.1特種集裝箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

對(duì)于集裝箱的選擇，都是要在切合《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，來(lái)進(jìn)行有限元優(yōu)化。（1）性能介紹。集裝箱要切合《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》規(guī)定，其裝運(yùn)保溫箱分為三級(jí)，一級(jí)的保溫箱為32℃，二級(jí)與三級(jí)保溫箱27℃。自重為25，結(jié)構(gòu)最大速度為120km/h。其最小的轉(zhuǎn)彎半徑為145m，緊急制動(dòng)距離為小于等于1400m。（2）尺寸介紹。轉(zhuǎn)向架中心間距為12.622m，低價(jià)的長(zhǎng)度與寬度分別為16.422m與12.622m。車鉤的中心線為0.88m。在空車的情況下，彈體保溫箱為高為1.156m。（3）主體介紹。該運(yùn)輸平車的構(gòu)成部分包括了底架，集裝箱鎖閉設(shè)備，緩沖車鉤設(shè)備，轉(zhuǎn)向架等設(shè)備。其底價(jià)的焊接方式為全鋼焊接，通過(guò)對(duì)中梁側(cè)梁，端梁枕梁，大、小的衡量等其他輔助梁焊接而成。中梁與側(cè)梁中間有橫向的輔助梁。底架上鋪有7毫米厚的鐵地板。鍛造上心盤的直徑是358mm，前從板座與后從板座的材質(zhì)為C級(jí)鑄鋼，并且其余中梁間的連接，采用的是符合相關(guān)要求的特殊拉柳釘。在底架的枕梁出與大梁處，分別設(shè)立四組固定手動(dòng)旋鎖和發(fā)展手動(dòng)旋鎖。

3.2優(yōu)化程序與設(shè)備

本次優(yōu)化使用的是有限元分析程序?yàn)槊绹?guó)SDRC公司開發(fā)的I-DEAS軟件，硬件設(shè)備使用的是NT工作站。

3.3計(jì)算模型及計(jì)算載荷工況

從整體上來(lái)說(shuō)，其荷載與其結(jié)構(gòu)存在著對(duì)稱性。所以在選擇計(jì)算分析對(duì)象時(shí)，取整體的二分之一與四分之一進(jìn)行分析。在對(duì)稱面上選擇相適合的位移函數(shù)。在分析計(jì)算中，將待實(shí)驗(yàn)的實(shí)際整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散處理，其單元為Thin-shell，其節(jié)點(diǎn)為64544個(gè)，其單位為64663個(gè)。其在施加荷載等外力與獲得的結(jié)果都是按照《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定下所進(jìn)行或評(píng)定的。其中縱向力按照下面的方式進(jìn)行選取。第一工況拉伸1125千牛，壓縮1400千牛。第二工況壓縮2250千牛對(duì)車體強(qiáng)度進(jìn)行校對(duì)與核實(shí)。荷載狀況。車體的自重大概在15噸左右，其受力以平均分布的形態(tài)作用在平車內(nèi)部。在滿載的情況下，計(jì)算車體的動(dòng)荷系數(shù)（Kdy），公式為。其中，fj代表著專享價(jià)的垂直靜撓度。V代表的是車輛的結(jié)構(gòu)最大速度。a為1.5，b為0.05，c為0.427，d為1.65。側(cè)向力為垂向靜載荷的1/10，扭轉(zhuǎn)在和作用于平車底架的稱重處，其數(shù)值為40千牛每米。其縱向拉伸作用于平車底架的前從板，其數(shù)值為1125千牛。縱向的壓縮載荷作用于平車底架的后從板，其數(shù)值為1400千牛。計(jì)算工況。本次計(jì)算是在各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到相關(guān)規(guī)定飽和的狀況進(jìn)行計(jì)算，以達(dá)到最為極限的目的和測(cè)試成果。第一工況，進(jìn)行拉伸組合時(shí)，將縱向拉伸力與垂向總載荷、扭轉(zhuǎn)荷載、側(cè)向力進(jìn)行合成。要求其結(jié)果不能夠比第一工況的許用應(yīng)力大。在進(jìn)行壓縮組合時(shí)，要將縱向壓縮力與垂向總載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、側(cè)向力進(jìn)行合成，其要求與進(jìn)行拉伸組合時(shí)有著同樣的要求。第二工況，進(jìn)行縱向壓縮力與垂向靜載荷的合成，其獲得的合成應(yīng)力結(jié)果，不能比其許用應(yīng)力大。

3.4評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于車體整體的剛度判定，要求其組成的撓跨比要小于1/700。對(duì)于強(qiáng)度的判定是根據(jù)相關(guān)規(guī)定的許用應(yīng)力來(lái)計(jì)算的，這需要對(duì)主體材質(zhì)的兆帕計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得出，在第一工況下，其許用應(yīng)力為215兆帕，第二工況下，其許用應(yīng)力為292兆帕。

3.5計(jì)算分析結(jié)果

剛度結(jié)果。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，平車中梁的最大撓度為17.6毫米，撓跨比為7/5000，未超過(guò)核定標(biāo)準(zhǔn)1/700。強(qiáng)度結(jié)果。第一工況中，進(jìn)行拉伸組合中其最大應(yīng)力，發(fā)生在平車中梁變斷面的下彎角處，其應(yīng)力值為174兆帕。在進(jìn)行壓縮組合時(shí)，其最大應(yīng)力發(fā)生在小橫梁加載面處，其數(shù)值為132兆帕，均為超過(guò)許用應(yīng)力215兆帕。在第二工況中，進(jìn)行合成實(shí)驗(yàn)，其最大應(yīng)力為204兆帕，也為超過(guò)核定的許用應(yīng)力292兆帕。經(jīng)過(guò)分析，該特種集裝箱平車，符合相關(guān)規(guī)定要求。

4結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，在對(duì)特種集裝箱鐵路運(yùn)輸平車的分析中，利用有限元法是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，通過(guò)有限元的軟件以及工作臺(tái)，能在一定程度上加快對(duì)于車體的數(shù)據(jù)分析，并且得到的數(shù)據(jù)結(jié)果能夠被人們利用，方便今后對(duì)車體的使用。

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作者:于艷麗 劉芝娜 單位:中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司