基于13a型车钩的有限元分析.pdf

1、 目 录 中要 ABSTRACT 1 绪论.1 1.1 课题的意义.1 1.2 课题研究的理论方法.2 1.3 有限元形成和发展.2 1.4 我国货车车钩的发展.5 1.5 13 型车钩在铁路运输中存在的主要问题.5 1.5.1 车钩钩腔内部配件磨耗.5 1.5.2 钩耳变形和钩舌销磨耗的影响.6 1.5.3 两连挂车钩互钩差的影响.6 1.6 课题的主要研究内容.6 2 13 型车钩的组成及作用原理.7 2.1 车钩缓冲装置的组成及功能.7 2.2 13 型车钩的受力状态.8 2.2.1 车钩钩腔内部的各部分之间的间隙.8 2.2.2 车钩受到牵引时的受力状态.9 2.2.3 车钩受到冲击时

2、的受力状态.9 2.3 13A 型车钩.9 2.4 13B 型车钩.9 2.5 13 型车钩的三态作用.9 3 建模软件的选择及建模.13 3.1 建模软件选择.13 3.1.1 Solidworks 软件概述.13 3.1.2 软件特点.13 3.1.3 用户界面.14 3.1.4 配置管理.14 3.1.5 协同工作.14 3.1.6 装配设计.14 3.1.7 工程图.15 3.2 Solidworks 建模的原理.16 3.2.1 设计准则及方法.16 3.2.2 建模流程.16 3.3 13A 型车钩实体三维建模.16 3.3.1 车钩装配体.17 3.3.2 钩舌.18 3.3.3

3、 钩身.19 3.3.4 钩尾框及其他零件.19 4 基于装配体的 13 型车钩的有限元分析.21 4.1 装配分析法.21 4.2 车钩装配体的有限元分析.22 4.2.1 ANSYS Workbench.22 4.2.2 Mechanical 界面.22 4.2.3 Geometry 选项及装配体的材料设置.23 4.2.4 Connection 选项及零件连结设置.24 4.2.5 Mesh（网格划分）.25 4.2.6 网格划分过程.25 4.2.7 载荷及约束条件.28 4.2.8 Solve（求解）.29 5 结果分析及验证.30 5.1 结果生成.30 5.2 应力当量.31 5

4、.3 等效弹性应变.33 5.4 安全系数.35 5.4.1 钩析.35 5.4.2 钩舌分析.39 5.4.3 钩尾框分析：.41 5.4.4 其他零件分析：.42 5.5 理论结果与车钩零件的破损部位对照.43 5.6 理论结果与车钩零件探伤图对照.45 5.7 车钩故障的预防措施.47 5.8 本章小结.48 致 谢.49 参考文献.50 基于 13A 型车钩的有限元分析 摘 要 13型车钩是我国货车用主型车钩，除大秦线 C63型运煤敞车装用16/17型车钩外，几乎所有货车都采用 13 型车钩。13 型车钩(包括 2003 年部批投产的13A 型车钩)代表了我国货车车钩的现状。随着我国铁

5、路运输提速、重载的发展，作为当前货车主流品种的 13 型上作用式车钩，在货物列车运行中时有故障发生，严重影响铁路的正常运输，造成了较大的经济损失。如车辆在运行中车钩自动分离、由于钩体裂纹和钩尾框后弯角裂纹引起的断裂造成的分离和钩舌折断造成的分离等。本在对 13 型车钩运用过程中产生的故障进行全面分析的基础上，用计算机软件建立车钩的装配体模型并对其进行分析、评价，提出相应的预防和改进措施。基于装配体的 13 型车钩有限元分析，可以更好地模拟其在实际运用过程中的受力状态，找出车钩应力较大部位。这对于提高车辆连接的稳定性，防止分离，保证铁路运输秩序、节约成本、提高铁路运力具有重要的现实意义，为今后车

6、钩的设计、改造、检修维护等提供一定的理论依据。：13 型车钩；故障分析；装配体；有限元分析 The Finite Element Analysis Based on No.13 Coupler ABSTRACT No.13 coupler is the main type coupler in the freight cars in our country,hardly all freight cars use the No.13 coupler except the freight cars running in the Daqin line where uses No.16/17 inte

7、rlock coupler.The No.13 coupler(including the No.13A type coupler that is authorized to manufacture by Ministry of Railways in 2003)represents the present condition of freight cars couplers.Along with the development of increasing in velocity and load of railroad conveyance,No.13 top operation coupl

8、ers as the main kind of coupler often occur failures,for example,automatic separation of couplers,separation resulted from crackle in couplers,coupler yokes and rupture in coupler knuckle etc.This paper builds model of the No.13 coupler assembly with computer simulation software and progresses analy

9、sis on the basis of progressing overall and systemic analysis of all kinds of failures occurred during the operation of No.13 coupler,then gives precautionary and improved measures.The finite element analysis of No.13 coupler can better simulate the couplers in the actual operation and give the posi

10、tion of the bigger stress.This has important realistic significance to enhance stability of vehicles connect,prevent separation,ensure transportation order,economize cost and increase the capability of transportation.This will also provide some theoretic base for the designing,improving,overhauling

11、and maintaining of the No.13 coupler.KEY WORDS:No.13 coupler;Failures Analysis;Assembly;Finite Element Analysis。1 绪论 1.1 课题的意义 铁路是我国主要的运输方式，在经济中起着非常重要的作用。铁路的客货运量占我国总运量的 50%，是经济发展的先导。由于铁路运输安全、快速、运量大、方便、节能，相对公路运输而言污染小，不受自然气候条件的制约，所以它在世界整个运输业中具有重要的不可替代的地位。铁路运输尤其是高速铁路运输引起了世界各国的高速重视。近年来我国铁路得到了飞跃的发展，今后20

12、年是我国铁路发展的期，计划修建干线高速铁路，许多大中城市开始或计划修建城市轻轨铁路和地铁。所以铁路运输尤其是高速铁路运输，将要在我国经济建设和生活中起到重要的作用。但是在铁路运输业中，有许多问题还有待进一步解决。车钩缓冲装置是铁道车辆的重要部件，它在机车与车辆、车辆与车辆之间起着连挂作用，并在列车运行中传递牵引力和缓解冲击力，在车辆运输中起着非常重要的作用。随着我国铁路运输提速、重载的发展，作为当前货车主流品种的 13 型上作用式车钩，在货物列车运行中时有故障发生，严重影响铁路的正常运输，造成了较大的经济损失1。如车辆在运行中车钩自动分离、由于钩体裂纹和钩尾框后弯角裂纹引起的断裂造成的分离和钩

13、舌折断造成的分离等。随着我国列车速度的提高和轴重的加大，13 型车钩出现故障的频率越来越高。这不仅使铁路运输成本迅速增加，而且直接影响列车的安全。已经严重影响了我国铁路客货运输秩序，在一定的程度上制约了铁道车辆的进一步提速，影响铁路运力的进一步提高。因此，改进 13 型车钩的结构，对于提高车辆连接的稳定性、防止分离、保证铁路客货运输秩序、节约成本、提高铁路运力具有重要的现实意义2。由于采用低合金铸钢制造车钩，加上重载、提速的工况，使新造、检修车钩的裂纹发生率增加。为消除裂纹，采用了磁粉探伤设备，并规定对铸件做大面积全数检查，这给生产、检修部门都带来了较大的工作量，且质量难以保证。对由于材料、铸

14、造、热处理等因素造成的原始裂纹、焊补造成的裂纹和由于结构、缺陷等产生应力集中而造成的应用裂纹等产生的原因、避免的可能性、裂纹的扩展速率、疲劳裂纹及都有进行专题研究的必要。对各种裂纹及进行研究，对各种裂纹的成因、避免措施（尤其是避免产生原始裂纹）、有效控制方法进 行研究，对在正常工况下运用的车钩提出在其期内可放心使用、免裂纹检查的科学根据，并指导实际应用，这些都是体现技术进步且有现实意义的课题3。1.2 课题研究的理论方法 车钩的设计计算主要采用有限单元学问题的分析方法可分为法与数值法两大类。法，由于数学上的，通常只有某些简单问题才能得到解析的，而对于多数复杂结构问题，目前还没能得到闭合解。现在

15、，为了求解这些复杂问题，唯一的途径是应用数值法，求得问题的近似解。数值法又分为两大类：第一类是在法的基础上进行数值计算，它的要点是对基本微分方程采用近似的数值解法，如将微分改为差分，建立差分方程，得有限差分法；第二类是在力学模型上进行近似的数值计算。它的基本点是将连续体简化为由有限个单元组成的离散化模型，再对离散化模型求出数值解答，这类方法的代表就是近三十年发展起来的有限单元法。两类方法相比，有限单元法具有如下优点：（1）物理概念清晰。有限单元法从一开始就从力学角度进行简化，易于理解。（2）可以在不同的水平上建立起对该法的理解。它可以从通俗易懂的结构力学方法出发，阐述其基本原理和公式推导，也可

16、以利用变分原理为该法建立起严格的数学解释。（3）有较强的灵活性与适用性。（4）采用矩阵表达形式，便于编制计算机程序，能充分利用高速电子计算机这个现代化工具。因此有限元法已被公认为力学分析中的新颖而又有效的数值方法，它主要借助于两个重要工具：在理论推导方面，采用了矩阵方法；在实际计算中，采用了电子计算机。有限元、矩阵、计算机是三位一体的。1.3 有限元形成和发展 有限元法是大型复杂结构或多自由度体系分析的有力工具，近 20 年来已广泛地用于：工程结构、传热、流体运动、电磁等连续介质的分析，并在气象、地球物理、医学等领域得到应用和发展。电子计算机的出现和发展，使有限元法在许多实际问题的应用变成现实

17、，并且有广阔的前景。1965 年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应 用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题4。现在大部分工程方面的问题都用有限元软件来解决，它能解决解决精度比较高而且计算量较大的问题。有限元方法的基本思想是将求解区域离散为一组有限个，且按一定方式相互联接在一起的单元组合体。由于各单元能按不同的联接方式进

18、行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。有限元方法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设近似函数来分片地表达求解域上的未知场函数。自然界里不论是生物、地质还是力学的每一现象，实际上都可借助于物理定理，接照与各种主要量相的代数方程、微分方程或方程来描述。具有奇特形状的孔洞、许多加劲杆以及承受静力、热力和空气动力的一个容器中的应力分布，查明在海水或空气中污染物质的浓度，以及为了求解并预示形成龙卷风和雷暴雨的机理而模拟大气巾的气候，这些都是许多重要实际问题中的几个例子。推导这些问题的控制方程式虽然不是十分的，但使用精确分析方法对它们求解却是一个棘手的任务

19、。这时，近似分析方法提供了求解的另一种，在这些近似方法中，有限差分法和变分法，诸如 Ritz 法和 Galerkin 法，都是最经常采用的。ANSYS 是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor，IDEAS,AutoCAD 等，是现代设计中的高级 CAD 工具之一。ANSYS 程序是个通用有限元分析软件，早期的只提供热分析和线性结构分析功能，只能运行在大型计算机上，必须通过编写分析代码按照批处理方式执行。20 世纪 70 年代后，逐步增加了非线性计算功能、的单元类

20、型以及子结构等技术。随着小型机和 PC 机的出现，操作系统进入图形交互方式以后，ANSYS 程序建立了交互式操作菜单环境，极大地简化了分析过程的操作性，使设计分析更加直观和可视化，程序不再仅仅是求解器，同时提供前后处理器，对 模型的创建和结果的处理更加方便。随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地出和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算建筑和大跨度桥梁在时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；

21、分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。有限元分析方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。随着分析技术的进步，许多新的设计分析概念和方法不断充实到 ANSYS 程序中，ANSYS 推出微机版程序，使得 ANSYS 的普及应用取得巨大成功。经历了 4.X、5.X、6.X、7.X、8.X 到 ANSYS9.0、ANSYS10.0,ANSYS11.0，ANSYS12.0的发展，ANSYS 程序的功能不断丰富，更加完善，求解的速度和规模也越来越大，操作也越来越方

22、便，便于学习和掌握，受到国内外工程的极大欢迎。二十多年以来，ANSYS 公司紧跟世界最新的计算方法和计算机技术，引领着有限元界发展的趋势，形成强大的分析功能。ANSYS 程序是能够同时分析结构、热、流体、电磁、声学的高级多物理场耦合分析程序，先进的多物理场耦合分析技术在现今世界首届一指。各物理场的分析功能包括各种结构的静动力线性或非线性分析、温度场的稳态或瞬态分析以及相变、计算流体动力学分析、声学分析和电磁分析。另外，还提供目标设计优化、拓扑优化、概率有限元设计、二次开发技术（参数设计语言 APDL、用户图形界面设计语言 U1DL 以及用户可编程特性 UPFs）、子结构、子模型、单元生死、疲劳

23、断裂计算等先进技术。ANSYS 提供基于 Motif 的菜单系统，用户可以利用各种框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，同时提供许多方便的分析导航菜单，如接触导航菜单方便地引导用户自动创建接触分析模型。所有的菜单系统用户可以根据需要进行用户化定制。ANSYS 提供 CAD 导入/导出接口，便于实现与 CAD 之间模型的转换工作。当用户已经在 CAD 程序中创建好模型后，可以通过CAD 程序接口或标准图形文件格式将模型转入 ANSYS 程序，避免了重复建模工作。ANSYS CAD接口支持流行的 CAD 软件，如 Pro/Engineer、CADDS、UG、SolidEdge 等，没有直接

24、转换接口的 CAD 程序可以通过如 IGES、STEP、Parasolid 或 SAT 等格式文件转换输入 ANSYS。ANSYS 软件提供全新的 CAD/CAE平台，即Workbench 环境，它可以更好地实现与 CAD 软件的几何模型双向传递，并实现参数化模型的双向刷新。该主要针对设计分析使用，仅具有基本的结构分析、热分析和电磁分析等功能5。1.4 我国货车车钩的发展 我国货车车钩的演变经历了 13 型车钩定型、研制低合金高强度 13 型车钩、研制生产 16/17 型联锁式转动和固定车钩、停止生产普碳钢 13 型车钩、试行 E 级钢 13A 型（小间隙）车钩和 16/17 型车钩几个阶段。

25、13 型车钩至今仍是我国货车用主型车钩，除大秦线 C63 型运煤敞车装用 16/17 型车钩外，几乎所有货车都采用 13 型车钩。13 型车钩（包括 2003 年部批投产的 13A 型车钩）代表了我国货车车钩的现状。目前虽已停止生产，但还在运用中的大量普碳钢13 型车钩，约占现有车钩总量的 70%左右。原铁道部规定自 2002 年 3 月 1 日起停止生产普碳钢 13 型车钩，这是一个及时、有远见的决定。即便如此，将其逐步淘汰乃至停止使用还需相当长的一段时间。为保证在相当长的时期内货物列车运行的安全性，还必须花大力气修好并且用好普碳钢 13 型车钩。应合理检修，恢复原型，避免因车钩检修、使用不

26、良造成车钩自动分离，更需对其进行简单改造以减缓自动分离现象。1.5 13 型车钩在铁路运输中存在的主要问题 1.5.1 车钩钩腔内部配件磨耗 通过，钩舌、上锁销、钩锁铁等配件磨耗过限比例较高，所有车钩钩腔导向挡都存在不同程度的磨耗。其电分离车钩的导向挡磨耗严重的有 5 个，占分离后总数的 38.46。钩腔内部配件的大量磨耗，直接导致闭锁不合格，虽然局部磨耗不过限，但累加起来便会出现不合格。钩腔内的导向挡与锁铁导向角静态时为面接触，但动态时由于磨耗、冲击、内部间隙大等原因，会由面接触变为点面接触甚至是点与点之间的作用，造成导向挡磨损、锁铁磨耗，加剧锁铁窜动，有可能产生锁铁带动上锁销杆移动的情况，

27、降低闭锁可靠性。导向挡磨耗后形状变得不规则，容易使锁铁因振动上移后，在下落过程中被卡住，无法靠 自重落锁，车钩处于开锁位置，形成假闭锁。1.5.2 钩耳变形和钩舌销磨耗的影响 当上下牵引台及护销突缘产生较大磨耗时，牵引台与护销突缘就会共同受力，或牵引台、护销突缘、钩舌销共同受力。钩舌销受力后，虽分担的力并不很大，但由于所受力为剪切力，起截面积很小，所以面积的剪切力较大，会导致钩舌销弯曲变形或钩耳变形，甚至是钩舌销断裂，造成车钩运用中闭锁状态不良。1.5.3 两连挂车钩互钩差的影响 铁路货车运用维修规程规定两连挂车钩互钩差不得超过 75mm。所以当互钩差超限时，两钩舌作用面减小，有可能使钩舌对于

28、上下钩身发生偏转，这时，可能因局部拉力增大，造成断裂；还可能使钩舌与钩腕间的内侧距离瞬时增大并超限，两连接钩舌无法互控而分离6。1.6 课题的主要研究内容 （1）目前在 13 型车钩研究中主要还是进行的单个零件如钩舌、钩体、钩尾框的研究，并没有对整个车钩进行的分析。本用 Solidworks 软件对 13 型车钩装置中的复杂的钩体、钩舌、钩锁铁等零件建模，得到进行有限元计算所需要的模型；并对车钩装配体进行有限元分析，给出车钩拉伸和压缩两种工况下的各零件的应力状态；（2）由于车钩运用过程中存在车钩钩尾框后弯角裂纹、钩体裂纹、钩舌裂纹等引起的断裂造成车辆分离，因此通过在静力分析的基础上，针对 13

29、 型车钩使用过程中出现的各种故障进行全面系统的分析，得出产生故障的原因并给出解决措施。2 13 型车钩的组成及作用原理 2.1 车钩缓冲装置的组成及功能 车钩缓冲装置是车辆最重要的部件之一，通过它使机车和车辆或车辆和车辆之间实现连挂，并且传递和缓和列车在运行或在调车作业时所产生的牵引力和冲击力7。车钩缓冲装置由车钩、缓冲器、钩尾框、从板等零部件组成。下图为车钩缓冲装置的一般结构形式。在钩尾框内依次装有前从板、缓冲器和后从板（有时不需后从板），借助钩尾销把车钩和钩尾框连成一个整体，从而使车辆具有连挂、牵引和缓冲三种功能。图 2-1 13 型车钩缓冲装置结构简图 在车钩缓冲装置中，车钩的作用是用来

30、实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂和传递牵引力及冲击力，并使车辆之间保持一定的距离。缓冲器是用来缓和列车运行及调车作业时车辆之间的冲撞，吸收冲击动能，减小车辆相互冲击时所产生的动力作用。从板和钩尾框则起着传递纵向力（牵引力或冲击力）的作用。图 2-2 我国货车上使用的 13 型车钩，其中包括 1-钩体、2-钩舌、3-钩舌推铁、4-上锁销、5-上锁销杆、6-钩锁铁和 7-钩舌销。13 型车钩的设计较合理地安排了钩头与钩舌及钩舌与钩舌销之间的间隙。在闭锁位置时，可使钩舌销不受或较少地分担作用力，从而更充分地发挥了车钩各部材料的承载能力，故车钩的强度较大。由普通碳钢制造的 13 型车钩的抗拉破坏强

31、度约 2.5MN 左右，当采用低合金高强度铸钢时，其抗拉破坏强度可达 3MN 以上。而普通铸钢的 2 型车钩抗拉破坏强度仅为 1.61.8MN。2.2 13 型车钩的受力状态 13 型车钩在闭锁位置时，由于合理的安排了钩头、钩舌及钩舌销之间的间隙，可使钩舌销不受或较少地负担作用力，以充分发挥车钩各部分的抗拉强度。2.2.1 车钩钩腔内部的各部分之间的间隙（1）钩头与钩舌上下牵引凸缘之间的间隙（1），间隙量为最小；（2）护销凸缘之间的间隙（2），间隙量稍大；（3）钩耳孔与钩舌销之间的间隙（3），间隙量为最大，即 123。图 2-3 13 型车钩钩头、钩舌及钩舌销各部间隙 2.2.2 车钩受到牵引

32、时的受力状态 车钩受到牵引时，牵引突缘传递牵引力，当牵引突缘之间的磨损使间隙加大时，护销突缘与牵引凸缘一起传递牵引力；当各凸缘之间磨耗后的间隙均加大时，则牵引凸缘、护销突缘与钩舌销三者共同受力。这样可避免钩舌销受力或受力过大的情况出现，必定是两个牵引突缘最先受力。2.2.3 车钩受到冲击时的受力状态 车钩受到冲击时，冲击突肩传递冲击力；当冲击突肩与钩腔内壁因磨耗使间隙加大时，护销突缘与冲击突肩一起传递冲击力；当各间隙均加大时，则冲击突肩、护销突缘与钩舌销三者共同受力。2.3 13A 型车钩 13A 型车钩钩体、钩舌、钩尾框采用规定牌号的 C 级钢制造；钩锁铁采用E 级钢制造；钩舌销采用 40C

33、r、40MnB、Mn2、42CrMo 锻钢（经调质热处理）制造；其他零件可用 ZG230-450 钢制造。13A 型车钩钩体和钩舌设计参考了 13 型车钩，设有牵引突缘和护销突缘，钩耳孔采用椭圆孔与 13 型车钩相同。13A 型车钩钩舌静拉破坏最小载荷由原 13 型车钩的 2500kN 提高到2877kN；钩体静拉破坏最小载荷由原 13 型车钩的 3000kN 增大到 3214kN。2.4 13B 型车钩 13B 型车钩与 13A 型车钩结构基本相同，13B 型钩尾框与 13A 型钩尾框有所不同；材质采用规定牌号的 E 级钢制造；采用新的热处理工艺制造。2.5 13 型车钩的三态作用 13 型

34、车钩具有闭锁、开锁、全开三种作用位置，即三态作用。在结构上，钩头零件中的钩舌推铁不是竖立地放置在钩头腔内，它带有突出的转轴成水平位置插在钩头腔内相应的孔中。在装配位置方面，钩锁铁是坐在钩舌推铁的一端。（1）闭锁位置 图 2-4 13 型上作用式车钩闭锁位置 钩锁铁的中部台阶 a 坐落在钩舌推铁的一端 b 上，此时钩锁铁处于最低位置，钩舌尾部 c 受钩锁铁 d 处阻挡，钩锁铁的另一侧受钩腔内壁阻挡，钩舌被锁住不得转动，呈闭锁位置。为了防止列车在运行中由于振动而引起钩锁铁跳动，造成自动脱钩的，设有防跳装置。对于上作用式车钩，上锁销的下部销钉沿着上锁销杆的弯孔滑下，致使上锁销下部弯钩及上锁销杆顶部e

35、处倒入钩头内腔相应位置的挡棱 f 下方。这样，钩锁铁虽受振动，但因上锁销杆顶部被钩头内的挡棱所顶挡，起到了一定的防跳作用。（2）开锁位置 图 2-5 13 型上作用式车钩开锁位置 扳动钩提杆，提起上锁销，此时上锁销的下部圆销沿上部的弯孔上滑，使上锁销杆绕钩锁铁的小提梁转动，从而摆脱了挡棱 f 的阻挡，继而提起钩锁铁，使钩锁铁中部前面的下端与钩舌尾部几乎处于同一平面。钩锁铁的 g 处高于钩舌尾部，这时放下钩提杆，则钩锁铁因头重前仰使下部的缺口 h 处坐在钩舌推铁的一端 b 上，此时钩舌受牵引力即可自由转动，呈开锁位置。（3）全开位置 图 2-6 13 型上作用式车钩全开位置 继续扳动钩提杆至极限

36、位置，使钩锁铁上升至其前端上部的 i 处与钩头内腔的 j 处接触，并以此点为支点，钩锁贴下面的 k 部踢拨钩舌推铁的相应端，则钩舌推铁绕其转轴水平转动，其另一端踢拨钩舌尾部，使钩舌转开至全开状态。此即为全开位置。在车辆连挂之前，必须有一个车钩处于全开位置，才能实现自动连挂。3 建模软件的选择及建模 3.1 建模软件选择 3.1.1 Solidworks 软件概述 SolidWorks 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的技术副总裁与 CV 公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生

37、产力的实体模型设计系统。从 1995 年推出第一套 SolidWorks 三维机械设计软件至今，至 2010 年已经拥有位于全球的办事处，并经由 300 家经销商在全球 140 个进行销售与分销该。1997 年，Solidworks 被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。3.1.2 软件特点 Solidworks 软件功能强大，组件繁多。Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设

38、计过程中的错误以及提高质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks管理器是同 Windows管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理 CAD 文件。使用 SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的投放市场。在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中，SolidWorks 是设计过程比较简便而方便

39、的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论：“在基于 Windows平台的三维 CAD 软件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市场快速增长的者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用 SolidWorks，整个设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。3.1.3 用户界面 只有 SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的框，从而避免了界面的零乱。崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含

40、所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。用 SolidWorks管理器可以方便地管理 CAD 文件。SolidWorks管理器是唯一一个同 Windows器类似的 CAD 文件管理器。特征模板为标准件和标准特征，提供了良好的环境。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。SolidWorks 提供的 AutoCAD 模拟器，使得 AutoCAD 用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。3.1.4 配置管理 配置管理是 SolidWorks 软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个 CAD 文档中，

41、通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。3.1.5 协同工作 SolidWorks 提供了技术先进的工具，使得你通过互联网进行协同工作。通过 eDrawings 方便地共享 CAD 文件。eDrawings 是一种极度压缩的、可通过电子邮件的、自行解压和浏览的特殊文件。通过三维托站展示生动的实体模型。三维托站是 SolidWorks 提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速地查看结构。SolidWorks 支持 Web 目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就像存本地硬盘一样方便。用 3D Meeting 通过互联网实时地协同工作。3D Meeting 是基于微软

42、NetMeeting 的技术而开发的专门为 SolidWorks 设计提供的协同工作环境。3.1.6 装配设计 在 SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零 部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是 SolidWork

43、s 技术的巨大。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。3.1.7 工程图 SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。从三维模型中自动产生工程图，包括视图、和标注。增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。使用 RapidDraft 技术，可以将工程图与三维零件和装

44、配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。选择 Solidworks 来建模，首先，此次建模的 13A 型车钩钩身和钩舌为空心铸造件，零件外形较为复杂，Solidworks 软件操作简捷方便。另外，它和 ANSYS软件搭接的比较好，我们用 Solidworks 建模以后，可以直接导入到 ANSYS Workbench 软件里面去分析。我们选择 Solidworks2010 与 ANSYS12.0 搭接，二者连接比较好。

45、3.2 Solidworks 建模的原理 3.2.1 设计准则及方法（1）分析零件，确定基本特征及特征顺序，例如需要建立哪些特征、按照什么样的特征顺序建立等等；（2）简化特征类型；（3）建立特征的父子关系；（4）适当采用特征的操作。3.2.2 建模流程（1）分析零件特征，确定特征的创建顺序；（2）启动零件设计方式；（3）创建基体特征，它是其他特征的父特征；（4）建立其它特征；（5）编辑和修改；（6）保存图形。3.3 13A 型车钩实体三维建模 13 型车钩，其中包括钩体、钩舌、钩舌推铁、上锁销、上锁销杆、钩锁铁、钩舌销和衬套，共 8 个零件。此次分析的范围是 13A 装配体受静拉力是的应力分布

46、，故只对图 中的受力零件进行了建模。由于车钩零件的形状比较复杂，曲面、曲线比较多，并且小的倒角、圆角也比较多，如果直接将整个车轮总装图导入到 ANSYS 中分析或优化设计时可能引起网格无法划分，或划分的有限元模型单元和节点过多，导致计算过程过于复杂，占用计算机内存过多而导致计算无法继续进行等情况发生。图 3-1 13A 型车钩实体建模零件（不包含非受力零件）：1-钩舌 2-钩锁铁（部分）3-衬套 4-钩舌销 5-钩尾销 6-钩尾框 7-钩身 3.3.1 车钩装配体 图 3-2 13A 型车钩装配体建模 1 图 3-3 13A 型车钩装配体建模 2 3.3.2 钩舌 图 3-4 13A 型车钩钩

47、舌建模零件 3.3.3 钩身 图 3-5 13A 型车钩钩身建模零件 3.3.4 钩尾框及其他零件（a）钩尾框 （b）衬套 （c）钩舌销 （d）钩锁铁（受力部分）（e）钩尾销 图 3-6 13A 型车钩钩尾框及其他零件 4 基于装配体的 13 型车钩的有限元分析 随着我国铁路运输提速、重载的发展，作为当前货车主品的 13 型车钩，在运用过程中除了前一章所提到的车钩自动分离故障外，还经常发生由于钩体裂纹和钩尾框后弯角裂纹引起的断裂造成的分离和钩舌折断造成的分离等故障，这不仅使铁路运输成本迅速增加，而且直接影响列车的安全和我国铁路客货运输秩序，在一定的程度上制约了铁道车辆的进一步提速，影响铁路运力

48、的进一步提高812。车钩的破损分离主要是车钩受力较大的部位存在裂纹或缺陷，基于装配体的 13 型车钩有限元分析可以更好地模拟其在实际运用过程中的受力状态，找出车钩应力较大部位，这对于提高车辆连接的稳定性，防止分离，保证铁路客货运输秩序、节约成本、提高铁路运力具有重要的现实意义。4.1 装配分析法 以往对车钩零部件进行有限元分析时，常常是将所关心的部件单独提出来建立模型，而分析部件与其他部件之间的相互作用则用接触边界上的已知力或位移来考虑。当其他部件刚性较大时，其变形很小，这样处理是合理的。但当其他部件刚性较小时，其变形很大，这样处理是不合理的，会带来一定误差。然而装配分析可以较好地处理部件之间

49、的相互影响，对于一些边界条件复杂和相互影响较严重的部件，利用装配分析法可以更加真实地模拟实际运用状态，获得比较精确的结果。装配分析法不需要编制专门的程序，利用一般的有限元软件便可以实现，但装配结构的建模要复杂一些，模型的规模也偏大13。本节利用 ANSYS Workbench 对车钩装配体进行有限元分析，对于车钩各零件间力的相互作用通过定义接触来传递，不仅可以得到整个装配体的应力状态，还可以得到单个零件的应力状态。4.2 车钩装配体的有限元分析 4.2.1 ANSYS Workbench 图 4-1 ANSYS Workbench 主界面选择 Static Structural 选项，右侧设置

50、材料、导入模型、编辑模型。表 4-1 装配体相关材料参数 材料名称 抗拉强度 b 屈服强度S 弹性模量 E 泊松比 TB/T 2942-C 640MPa 470MPa 180GPa 0.3 40Cr 980MPa 785MPa 206GPa 0.28 ZG230-450 450MPa 230MPa 211GPa 0.311 4.2.2 Mechanical 界面 双击 Model 选项，开启 Mechanical 界面 4.2.3 Geometry 选项及装配体的材料设置 图 4-3 13A 型车钩装配体导入 图 4-2 Geometry 选项 图 4-3 Connection 选项 Geom