基于ANSYS,Workbench的接触网作业梯车结构优化及轻量化研究

摘 要：文章通过三维软件SolidWorks建立了接触网作业梯车模型，导入到有限元软件ANSYS Workbench中分别进行了静力学、模态和线性屈曲分析，得到其应力应变分布规律、固有频率和振型大小以及屈曲稳定性，并在此基础上对该梯车模型的关键部位作了优化，降低整体质量，从而达到轻量化的目的。

关键字：接触网梯车；ANSYS；有限元分析；结构优化；轻量化

中图分类号：U463.32 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）16-67-04

Abstract： In this paper， the contact network ladder car model， which established by the three-dimensional software SolidWorks， is imported into ANSYS Workbench to analyze its statics， modes， buckling， and obtained the distribution of stress and strain， natural frequency and mode size， and buckling stability. Based on these results， the key parts are re-opti mized so as to realize the purpose of lightweight.

Keywords： the contact network ladder car； ANSYS； finite element analysis； structural optimization； lightweight

CLC NO.： U463.32 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）16-67-04

引言

蒸汽牵引、内燃牵引和电力牵引是目前我国铁路运输牵引动力的三种形式。其中，以电力牵引为主要牵引方式的干线铁路被称为电气化铁路。1961年8月15日宝成铁路宝鸡—凤州段的通车，标志着中国第一条电气化铁路的胜利建成[1]。改革开放40年来，随着我国社会经济的不断发展，电气化铁路也取得了巨大的成就，不仅在总里程上跃升世界前列，而且在技术水平和施工质量方面均已达到世界先进水平。接触网作业梯车作为电气化铁路接触网日常维护、检修、事故抢修和电气化铁路施工的重要工具，其运行和作业的安全不仅与车辆本身有关，而且还影响整个线路的正常运行，因此保障接触网作业梯车的安全稳定运行是维护电气化铁路正常运行的重中之重。

1 接触网梯车的静力学分析

1.1 三维实体模型的建立

利用SolidWorks软件创建接触网工作梯车的三维实体模型，如图1所示。该梯车结构包括由两根横梁、两根纵梁和四个车轮组成的四邊形底盘、四根侧支撑杆、四根主杆以及沿主杆两侧平均分布的十四根踏杆和安装在主杆顶部的工作台。梯车底盘长2416㎜，宽1435毫米，工作台高度距离轨面4482㎜。

接着，将建立好的接触网作业梯车三维实体模型保存为IGS格式，导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，研究其应力、应变分布规律。

1.2 有限元模型的建立

传统的接触网作业梯车采用钢材质，整体质量重，不易搬运。与钢材相比，铝合金材料具有自重轻、耐腐蚀、强度范围广等优点，但由于弹性模量太小，其结构和构件的变形和稳定问题也会更突出，故梯腿、踏杆部分采用铝合金材料，而主要受力部件如工作台、底盘部分的材质则保持不变。参数信息如表1所示。

实体单元可以准确地模拟梯身杆件接头处的应力分布，还能满足对梯车实际工作状态精确模拟的要求。因此，为了提高计算结果的精确度，减小误差，使用三维实体单元Solid186进行有限元建模。网格大小设为30㎜，共划分单元225205个，节点574710个。

1.3 载荷施加

接触网作业梯车模型中的主要约束问题是底架车轮的处理。选中轮毂部分，约束其所有6个自由度。

根据接触网梯车实际作业时的情况，考虑工作台踏板所受的最大集中载荷为2000N，方向竖直向下。其自重通过定义竖直向下的重力加速度自动得到。

1.4 计算结果

通过计算得到，该梯车结构在静载作用下的应力分布和变形情况分别如图2、3所示。

最大等效应力发生在工作台侧部连接杆下端的螺栓头位置，大小为169.49Mpa，即

其中，1.5为安全系数。因此该梯车结构的强度是完全满足要求的，并且还有一定的优化空间。

2 模态分析

通过模态分析可以计算出梯车的固有频率和固有振型，使各主要部件尽可能避开外界激扰产生的频率范围，并充分考虑各阶模态所带来的影响，从而保证梯车具有良好的运行稳定性[2]。由于静力学分析过程中对底盘车轮添加了固定约束，所以本章研究的模态为约束模态。表2为提取的前十阶固有频率，图4是四个典型的振型图。

人在工作台上行走会对梯车结构产生振动激励。经调查，行人的正常行走步频介于1.6Hz（慢走）和2.4Hz（快走）之间[3]，第一阶固有频率为4.0159Hz，高于外界激励频率，所以不会发生明显的共振现象。

通过模态分析的结果可以看出，梯车的固有频率比较低。前四阶振型为整体振型，变形量不是很大。但从第五阶起局部振幅开始增大，最大变形量也突增，这表明该梯车结构局部强度较低，所以有必要对其上、下四个侧支撑杆壁厚进行重新设计。

3 接触网梯车的屈曲分析

本章采用线性屈曲分析方法，得到其临界载荷系数和屈曲振型，验证结构的稳定性及容易发生失稳的区域，最终得出梯车的优化方案。提取前十阶的临界载荷系数和模态振型，如表3所示。

梯车结构的屈曲振型图如图5所示。可以看出，前八阶屈曲变形都是发生在梯车各主杆位置处，且均为局部变形。由表5-1，得出其临界失稳载荷为115197N，远远大于所施加的初始载荷，说明梯车结构的稳定性较好，不会发生整体失稳，即梯车首先是因强度不足导致的破坏。于是在对薄弱部位进行优化时通过适当加大壁厚就可以明显改善。

4 优化设计

4.1 优化設计方案的提出

根据梯车的结构特点及其受力特点，同时考虑到整体重量以及工艺上实现的可能性，针对薄弱环节，提出下列优化方案：

梯车上、下部分四根侧支撑杆的壁厚增加1㎜；

梯身各主杆的壁厚增加1㎜。

4.2 优化后的梯车结构静力学分析

根据ANSYS Workbench中静力学分析步骤，对优化后的梯车结构进行了静强度分析，分别得到其应力、应变云图，如图6、7所示。并与原结构做了对比，如表4。

通过优化设计，使得梯车结构的质量由原来的260.19kg变为191.46kg，减少了26%；最大应力值由原来的169.49MPa变为136.11MPa，减少了20%；最大变形量值由原来的1.1019mm变为1.0751mm，减少了2.4%。由此可知，优化后的梯车结构质量得到了减轻，并且其力学性能也有所改善。

4.3 优化后的梯车结构屈曲分析

通过对接触网作业梯车结构的优化设计，各支撑杆及其连接的螺栓大小均有所改变，其稳定性也必将发生变化。一旦失稳，即使受到一个非常小的外力作用，都有可能造成整个结构的破坏。因此在满足静强度和静刚度的前提下，还需要对新模型进行屈曲分析，以验证优化后梯车结构的整体稳定性。结构的前十阶临界载荷系数和模态振型，如表5所示。并与原结构的临界载荷系数做了对比，如图8。

由上图可知，优化后的梯车结构与原结构相比，临界载荷系数增加了57%左右，证明该结构的抗屈曲能力更强。

5 总结

通过对接触网作业梯车的实际工作状态分别进行了静力学、模态和线性屈曲分析，得到其应力应变分布规律、固有频率和振型大小以及屈曲稳定性，确定结构中各主杆以及侧支撑杆为薄弱环节，需要进一步改进。

根据接触网作业梯车的结构特点及其受力特点，对关键部位做了优化并进行了验证。发现优化后的梯车结构不仅在外观质量上由原来的260.19kg变为191.46kg，减少了26%；最大应力值和最大变形量也分别减少了20%和2.4%，其抵抗强度破坏和弯曲变形的能力均得到改善。

参考文献

[1] 江凡.我国电气化铁路建设的回顾[J].铁道工程学报，1992，9（1）： 17-23.

[2] 杨伟东.CRH2-300型动车组构架结构建模与动力学分析[D].沈阳：东北大学，2010.

[3] 孙利民，闫兴飞.人行桥人行激励振动及设计方法[J].同济大学学报（自然科学版），2004，32（8）： 996-999.