在铁道车辆轮设计中CAD/CAE技术的应用

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　1前言
　　在机械设计领域，由于市场竞争加剧，用户对产品生产效率的要求越来越高，因此必须采用先进的设计技术。20世纪70年代末由于计算机技术与机械设计技术的互相渗透和结合产生了计算机辅助设计，简称CAD技术，其具有代表性的软件有Pro/E、Solidworks、SolidEdge、UG和CATIA等。随着科学技术的发展，出现一些新的应用技术，如计算机辅助工程技术，即CAE技术，其具有代表性的软件有ANSYS、ALGOR、ABAQUS、MARK和NASTRAN等。
　　CAD/CAE技术具有综合性强、高新技术含量高、见效快的优势，是当今发展最快的应用技术之一。据统计。到20世纪90年代初，CAD/CAE技术的应用已进入机械、电子、建筑等近百个工业领域。CAD/CAE技术应用于机械工业可大大提高产品质量、缩短产品设计开发周期、降低产品成本。
　　目前，CAD/CAE技术在铁道车辆零部件的设计中尚处于起步阶段，为此，以某客车厂出口新西兰客车转向架轮对为例瑚，详细探讨了CAD/CAE技术在轮对设计中的应用过程。实例三维建模应用Solidworks软件，计算分析应用ANSYS软件。
　　2 CAD/CAE技术的机械设计应用
　　Solidworks软件是基于Windows/NT平台的主流三维设计软件。它既能合理、有效地记录整个模型的建模过程，也可让用户随意修改及传达模型建构的设计理念、流程阁。其特点为：可以随时改变模型尺寸、加入关联条件与修改几何尺寸，各特征之间可以相互对调或者恢复至先前状态，所有设计资料均可以进行编辑修改;零件。组件及工程图之间具有交互关联性，而且可以随时更新并永远保持最正确的设计。它的三维造型功能强大、操作简单，与其他的设计、分析软件的数据交换能力很强。
　　利用三维有限元方法解决多种多样的工程技术问题是工程设计分析活动中不可缺少的重要环节，也是计算机辅助设计领域的重要拓展方向之一。ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用CAE软件，以求解算法率高、应用类型广泛而闻名的有限元分析软件，但是存在着前处理过程烦琐、修改困难等缺点，特别是建立比较复杂的三维实体模型时，需要耗费大量的时间和精力，其建模功能难以胜任。
　　如果将Solidworks软件与ANSYS软件有效的结合，优势互补，利用SolidWorks强大的造型功能进行零部件建模、装配，再导人ANSYS之中进行相应的有限元分析，从而可以发挥CAD/CAE软件各自的优势，可大大提高建立实体模型的效率，减少建模错误，对轮对的结构分析和优化设计具有积极的意义。本文基于此应用在轮对设计上进行研究。
　　但从Solidworks软件中输出三维模型到ANSYS软件中容易造成图元丢失及模型不适于网格划分等情况，这就需要在ANSYS中对模型进行一些修补工作。本文实例针对这种情况也详细进行了应用操作介绍。
　　3 CAD在轮对设计中的应用
　　3.1轮对结构特点
　　某客车厂设计的车轮是整体碾钢车轮。材料选用CL60钢，车轴材料选用LZ50钢，为实心轴。车轴与轮毂配合面的直径是185mm，轮轴有效接触长度为145.6mm。轮对轮辋宽155mm，厚73mm，轮毂外径为258mm。轮轴配合过盈量比为(0.8—1.5)‰。考虑到磨耗轮比新制车轮受力状态恶劣，因此选磨耗轮作为计算对象，磨耗轮直径为723mm。
　　轮对有关技术参数参，如表1所示。
　　


　　表1轮对主要技术参数
　　3.2轮对实体造型
　　根据2.1节中描述的轮对结构特点及相关尺寸，利用Solidworks软件可分别生成车轮、车轴的三维图，然后按照尺寸要求进行轮、轴装配，完成轮对的三维实体造型，如图1所示。
　　




　　图1 Solidworks软件中建立的轮对模型图
　　3.3轮对实体模型的输出
　　IGES是一种被普遍接受的中间标准格式，可以在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。ANSYS的iGES输入能力在工业界是最强的，而且，因为过滤器程序可以输入部分文件，所以至少可以输入模型的一些部分。Solidworks中建模完成后，点击工具菜单中的“文件”命令，在下拉菜单中击“另存为”，在随后的对话框的类型选项中点选IGES(*.igs)文件格式，如图2所示，确定后即把轮对模型输出。
　　


　　图2 轮对模型输出
　　4 轮对CAE分析
　　4.1输入轮对模型
　　打开ANSYS软件，点选下拉菜单FileimportIGES，出现Import IGES File对话框，按照默认选项，单击“OK”，迸入下一个对话框，指定IGES文件保存的工作路径，打开。Solidworks模型将会以IGES导入到ANSYS中。输入轮对模型，如图3所示。
　　


　　图3输入到ANSYS中的轮对模型




　　Solidworks模型以IGES形式输入ANSYS后，可以发现，复杂曲面会发生曲面丢失、部分装配关系丢失的情况。由图3看出轮、轴已经分离开;由于车轮部分曲面已经丢失，车轮实体已经不存在，但是车轮的线和关键点都可以被输人进来。
　　这就需要在ANSYS软件中对模型进行部分修改。在此也可以返回Solidworks软件中的轮对模型，对模型中几乎不影响有限元计算的部位进行简化，或者修改输出模型的类型，比如*.step和*.sat等格式，但输入ANSYS软件中都会有不同程度的体、面、线丢失现象。选择IGES格式输入模型，然后在ANSYS软件中对模型进行修改。
　　4.2模型修改
　　AYSYS软件的建模功能尽管不是很出色，但是一般的建模操作都还是很容易实现。由于线特征都可以输入，可以根据线特征重新生成丢失的面特征或者体特征。输入模型中轮、轴已经分开，可以对车轮进行移动或者旋转，最终生成按尺寸要求进行转配的轮对模型。
　　4.3轮对离散化
　　实际运用中，车轮和车轴一起组装成轮对使用，因此取轮对整体作为研究对象。基于轮对的结构特点，将其离散成实体单元Solid45进行有限元建模。轮轴配合属于过盈配合，在有限元建模过程中，轮对用conta174和targe170接触单元模拟过盈配合。离散模型的单元个数为99431个，节点个数为107743个。离散后的轮对有限元模型，如图4所示。
　　


　　图4轮对有限元模型
　　4.4轮对加载工况及约束处理
　　轮对在运行过程中承受多种复杂的载荷。轨道对车轮径向和横向作用力、不同的轮对压装过盈量、高速时旋转引起的离心力等均对车轮的应力分布有着很大影响。
　　由于轮轴配合属于过盈配合，不同的压装过盈量对车轮的应力影响较大，同时对轮轴压装配合紧固度电有很大影响，因此计算分别考虑了在最小和最大过盈量下轮对各种工况下的强度。
　　根据轮对在实际运行过程中所受载荷，对轮对的有限元计算考虑如下6个运营载荷计算工况:
　　


　　其中工况3和工况5模拟车辆通过曲线时车轮所受到的载荷，工况4和工况6模拟车辆直线行驶时车轮所受载荷。各工况中载荷参照标准《车辆车轴设计与强度计算方法》(TB/T 2705-1996计算。
　　根据轮对实际运用情况和受力状态，工况1和工况2在轴颈一段施加固定位移约束，工况3至工况6在轮对与轨道相接触的节点处施加固定位移约束。
　　4.5静强度计算结果
　　通过对转向架轮对设计和有限元分析，获得六个工况下的应力、应变分布图，六种工况下车轮的最大应力都出现在轮毅孔外侧。其中车轮、车轴最大应力发生在工况3。出现的最大应力292.343MPa;车轴的最大应力都出现在轮座中央，出现的最大应力138.634MPa。限于篇幅原因，在此仅列出工况3车轮和车轴的当量应力云图，如图5、图6所示。
　　与车轮运用载荷下许用应力405MPa、车轴运用载荷下许用应力269MPa的标准相比，该设计轮对使用安全。
　　由此可以认为，用有限元方法进行的车轮与车轴的强度分析结果表明，考虑不同过盈量的该车轮车轴的结构静强度均能够满足要求，轮对设计方案可行。
　　


　　图5工况三车轮当量应力云图
　　


　　图6工况三车轴当量应力云图
　　5结论
　　以出口新西兰客车转向架轮对为实例，利用CAD(Solidworks)软件与CAE(ANSYS)软件对其进行建模和结构分析，为后续的轮对优化工作提供了可靠的设计基础。
　　(1)客车厂设计的轮对合理，能够满足运营各种工况，使用安全。
　　(2)利用CAD软件与CAF软件的有效集成技术，实现了建模的数据转换，与直接在CAE软件中建模方法相比，采用这种CAD建模与CAE建模计算相结合的方法可以加快实体建模的速度，实践证明这种方法是可行的。
　　(3)仅是将现有的多个设计工具结合运用在机械设计领域中的一个实例，如何更好地将先进的技术应用到工程设计中来以及最大程度地挖掘现有技术以及工具的潜力，已成为设计者在实践过程中所要思考的问题，并有着广阔的应用前景。web3D纳金网www.narkii.com