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HyperWorks在铁路客车结构设计及优化中的应用

HyperWorks在铁路客车结构设计及优化中的应用 2011年12月03日 来源： 1 概述铁路客车基础制动装置作为客车结构设计中的重要部件之一，承担着列车减速、紧急制动、停止等功能，由于在整个制动过程中基础制动装置承受着较大的制动力，尤其是基础制动装置中的制动杠杆，因此保证该结构具有足够的强度是设计中需要重点考虑的部分，同时为了减轻轴重、降低成本又需要在设计过程中尽量减少基础制动装置的质量。由于基础制动装置结构复杂，理论和工程计算都无法对该部件复杂的应力状态进行有效分析，因此在设计前期采用有限元分析的方法对结构进行强度分析是最好的解决方法。通过使用HyperMesh软件对基础制动装置进行六面体网格划分，获得较好的网格质量，并通过ANSYS 仿真分析软件中采用高阶单元进行有限元分析，确定基础制动装置的应力分布，并进一步通过OptiStruct软件对手制动杠杆结构在保证强度的基础上进行优化分析，确定出最佳的优化设计结构。2 有限元分析2.1 有限元模型建立通过HyperMesh 软件，对基础制动装置进行了六面体单元网格划分。整个模型划分为450811个节点，378684个单元。有限元模型见下图1、图2所示。

图1 基础制动装置有限元模型

图2 非手制动杠杆原结构有限元模型

2.2 材料与属性计算中所使用的Q235钢材料参数如下：弹性模量：206GPa泊松比：0.3 材料密度：7.85 e+3kg/m3屈服极限：235Mpa 许用应力：160Mpa 2.3 载荷工况制动力通过制动风缸施加，大小为14300N，约束施加到制动吊臂位置。2.4 分析结果基础制动装置最大应力为113MPa，发生在非手制动杠杆上，小于材料的许用应力160MPa，应力云图如下图3、图4所示。

图3 基础制动装置应力分布云图

图4 非手制动杠杆应力分布云图

3 优化分析从有限元分析结果可以看出非手制动杠杆结构应力较小，安全裕度较大，为了合理降低结构重量，我们通过OptiStruct优化软件对该结构进行结构优化，确定出对结构应力影响最小部分材料，然后对非手制动杠杆结构进行重新设计，以获得最优的设计结构，最后对该结构进行重新计算，验证优化后结构的合理性。

图5 非手制动杠杆密度结果的静态显示

3.1 优化分析结果从结构的密度结果静态显示可以看出，前后两个立筋中间部位材料对结构应力贡献较小，因此结构减重可以从两个立筋厚度方面进行重点考虑，为此我们对该结构进行了重新设计，优化后的结构如下图6所示。

图6 非手制动杠杆优化后结构

4 验证分析为了验证优化后的结构合理性，我们对该结构进行了重新分析，优化后结构最大应力148MPa，小于材料许用应力160MPa，满足强度使用要求。应力云图如下图7所示。

图7 非手制动杠杆优化后结构应力分布云图

5 分析与结论通过利用HyperWorks 软件在产品设计前期用产品的“软”模型取代了实物样机，通过对模型的分析及优化，不但能够降低生产成本，同时还可以获得较高的设计质量，并且缩短了产品的发布周期，提高了企业生产效率。企业的生产也因此有了高度的柔性化和快速的市场反应能力，大大增强市场竞争能力。(end)

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