基于ANSYS Workbench的磁浮列车悬浮架结构计算明书.doc

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1、目 录目 录21 概述12 新型磁浮列车悬浮架主要参数12.1主要设计参数12.2主要验算项目、方法和目的23 有限元建模与分析23.1有限元模型23.2工况及计算载荷43.3载荷和约束的施加44 计算结果与分析54.1静刚度分析54.2强度分析75 结论86 参考书目91 概述中低速磁悬浮列车是居于国内领先地位的实际工程项目，对其关键结构进行结构强度计算分析是必须开展的工作。磁悬浮列车悬浮架就是磁悬浮列车上非常重要的部件之一。由于磁浮列车是悬浮运行的，其对整个结构的重量就有严格的要求，因此对于磁悬浮列车转向架在满足强度要求的前提下，还必须尽量减轻其自身的重量。为解决强度要求和重量要求这一对矛

2、盾，因此必须对悬浮架进行结构强度的计算分析，从而合理确定转向架的结构，对局部结构提出改进意见。磁浮列车的工作原理是：列车依靠电磁铁产生的电磁力悬浮在轨道上面，实现无接触运行和导向。列车垂直悬浮距离约8毫米，控制单元通过检测列车与轨道的相对距离，通过一套闭环控制系统，调整电磁力大小，使列车保持稳定的悬浮距离。磁浮列车悬浮时对悬浮间隙有着严格的要求，因此悬浮架的变形将对悬浮间隙产生较大影响。当悬浮架刚度不够时会产生较大变形，导致控制单元检测到的相对位置信号不断变化，控制单元需要不断改变电流，对电磁力的大小进行调整，从而引起列车的振动。这里用ANSYS Workbench软件对悬浮架进行计算，获得了

3、悬浮架在不同工况下的应力和变形数据，检验其是否满足要求。本文研究的是一种新型悬浮导向牵引集成系统，磁悬浮列车悬浮架总成由两个转向架模块组成。转向架模块由托臂、支腿、上纵梁和下纵梁组成。托臂和支腿均采用ZL101A铝合金，下纵梁采用6061（T6）铝合金，上纵梁采用Q235A碳钢，焊接而成。电磁铁总成安装在下纵梁上，托臂通过空气弹簧与车体连接。2 新型磁浮列车悬浮架主要参数2.1 主要设计参数新型悬浮导向列车悬浮架总成主要参数如图2.1-1所示：图2.1-1 新型悬浮导向列车悬浮架总成主要参数2.2 主要验算项目、方法和目的1）悬浮架刚度依据新型悬浮导向列车悬浮架总成图纸，利用Solidwork

4、s构建新型悬浮导向牵引集成系统悬浮架三维模型，然后利用ANSYS Workbench无缝对接技术导入到AWB中进行有限元分析，通过分析验算轨道结构的刚度。 2）悬浮架强度依据新型悬浮导向列车悬浮架总成图纸，利用Solidworks构建新型悬浮导向牵引集成系统悬浮架三维模型，然后利用ANSYS Workbench无缝对接技术导入到AWB中进行有限元分析，通过分析验算轨道结构的强度。 3 有限元建模与分析3.1 有限元模型有限元建模的原则是既准确仿真结构的力学特性，又尽可能使模型简单。在建立轨道模型时，严格遵守准确和简单的原则对实际结构进行简化，模型的主要尺寸和实际结构相同，但简化了部分工艺结构和

5、电气安装结构。由于悬浮架总成左右对称，所以去模型的一半进行建模，建模时忽略各个部件的联接的螺栓，以及对整体结构影响不大的紧急滑撬装置、支撑轮装置、传感器装置以及牵引座，采用Solidworks 实体建模如图3.1-1所示，然后采用ANSYS Workbench无缝对接技术导入到AWB中进行有限元分析，导入到AWB中的模型如图3.1-2，划分网格后其有限元模型如图3.1-3所示。图3.1-1 新型悬浮导向列车悬浮架Solidworks模型图3.1-2 导入到AWB后的悬浮架模型图3.1-3 AWB网格划分后的悬浮架有限元模型3.2 工况及计算载荷由于目前尚没有关于磁悬浮列车转向架的计算规范，因此

6、通过分析磁悬浮列车的实际工作情况，并参考其它有轨车辆转向架的计算方法，确定了磁悬浮列车转向架强度计算的各个工况。工况一：列车处于悬浮状态，悬浮架所受载荷有悬浮架自重以及承受车体重量（车体总重，由于是三转向架联接而成，并且模型只是整体转向架的一半，所以车体重量为，为简化计算，估计为）。工况二：列车处于刹车状态, 悬浮架所受载荷有悬浮架自重以及空气弹簧上自重。工况二：列车处于停车状态, 悬浮架所受载荷有悬浮架自重以及空气弹簧上自重。3.3 载荷和约束的施加对于工况一，载荷加载在托臂的空气弹簧坑里，对下纵梁的上表面进行全约束，如图3.3-1所示；对于工况二，载荷加载在托臂的空气弹簧坑里，对托臂的与紧

7、急滑撬的安装底面进行全约束，如图3.3-2所示；对于工况三，载荷加载在托臂的空气弹簧坑里，对托臂的与支撑轮面的安装面进行全约束，如图3.3-3所示。图3.3- 1 工况一载荷和约束的施加图3.3- 2 工况二载荷和约束的施加图3.3- 3 工况三载荷和约束的施加4 计算结果与分析4.1 静刚度分析工况一垂直方向静位移等值线图如图4.1-1所示，图中最大位移在托臂空簧侧，其值为。4.1-1 工况一垂直方向位移等值线图 工况二垂直方向静位移等值线图如图4.1-2所示，图中最大位移在托臂空簧侧，其值为。4.1-2工况二垂直方向位移等值线图工况三垂直方向静位移等值线图如图4.1-3所示，图中最大变形位

8、移在托臂空簧侧，其值为。4.1-3 工况三垂直方向位移等值线图由上述变形图，静刚度有限元计算结果见表4-1所示。表4-1 垂直方向静刚度分析有限元计算结果工况变形位置计算结果工况一托臂空簧侧工况二托臂空簧侧工况三托臂空簧侧通过对以上数据分析可以得出，转向架的这种微小变形对轨道电磁铁与轨道的悬浮间隙影响不大，刚度满足要求。4.2 强度分析工况一应力等值线图如图4.2-1所示，图中最大应力在上纵梁侧，其值为。4.2-1 工况一应力等值线图工况二应力等值线图如图4.2-2所示，图中最大应力在托臂空簧侧，其值为。4.2-2 工况二应力等值线图工况三应力等值线图如图4.2-3所示，图中最大应力在托臂靠近

9、上纵梁侧，其值为。4.2-3 工况三应力等值线图由上述变形图，强度有限元计算结果见表4-2所示。表4-2 强度分析有限元计算结果工况最大应力位置计算结果工况一上纵梁侧工况二托臂空簧侧工况三托臂靠近上纵梁侧通过对以上数据分析可以得出：（1） 对于工况一，上纵梁的材料是钢，其屈服极限为，由云图可知，其最大应力值为，位于上纵梁侧，其余位置应力都较小且比较均匀。因此工况下的最大应力远远小于材料的屈服极限，满足静强度要求。（2） 对于工况二，托臂的材料是铝合金，其屈服极限为，由云图可知，其最大应力值为，位于托臂空簧侧，其余位置应力都较小且比较均匀。因此工况下的最大应力远远小于材料的屈服极限，满足静强度要

10、求。（3） 对于工况三，托臂的材料是铝合金，其屈服极限为.，由云图可知，其最大应力值为，位于上纵梁侧，其余位置应力都较小且比较均匀。因此工况下的最大应力远远小于材料的屈服极限，满足静强度要求。5 结论 通过对新型悬浮列车悬浮架的有限元分析，结果表明为该车设计的悬浮架在机械性能方面满足设计要求，悬浮架有足够的刚性和强度承载整个列车。对转向架的静刚度分析得出，其在三种工况下的微小变形对轨道电磁铁与轨道的悬浮间隙影响不大，刚度满足要求；对转向架的强度分析得出，其在三种工况下的强度满足材料要求，并且对材料而言有很大富余，可以对其进行结构优化。磁浮列车作为一种新型的运载工具，其前景非常美好，但在实用化之

11、前还有许多工作要做，就悬浮架设计这部分而言，有必要对目前这种结构进行改进，使整个悬浮架的应力分布更为合理、科学，提高材料的利用率。6 参考书目1 任治军，赵志苏. 中低速磁浮列车转向架的结构动力学分析.机械工程师，20052 杨磊，赵志苏. 磁悬浮列车转向架结构强度的有限元分析.机械，20043 张佩竹. 我国中低速磁浮交通工程的自主创新技术研究.铁道工程学报，20094 蒋海波,罗世辉,董仲美. 线路不平顺对低速磁浮车辆动态响应的影响.铁道机车车辆，20075 赵春发,顾行涛,翟婉明. 高速磁浮车辆悬浮架动力学模型研究. 铁道科学与工程学报，2008 .地址：四川省成都市二环路北一段 邮编：610031 电话：(028)87601625 传真：(028)87601625