电器室主梁强度算与优化设计.doc

附件4 电器室主梁强度计算及优化 有限单元法(finite element method, FEM)：属于力学分析中的数值法， 图1 主梁二维设计模型 图2 主梁三维实体模型图 2. 主梁的有限元计算 实体建模完成后，用有限元软件COSMOSWorks导入模型。在计算时认为各焊接件本身无缺陷，焊接牢固，无虚焊、漏焊、松脱现象，焊接后残余应力较小，不足以影响分析结果。创建一个分析研究名。 在研究名对话框中填入研究名字，总体平衡方程定义为线性方程，因此分析类型选择线性。在网格类型栏中，由于主梁结构非常复杂，不便于采用壳网格，因此采用的是实体网格类型。 2．1 定义材料属性 在材料类型栏中，初步分析采用本构方程的线性关系，应力应变将成线性关系，也将导致总体平衡方程变为线性方程，因此选择材料类型时应该选择von Mises Elasticity (isotropic)。本课题采用的材料是Q钢，故从材料库中输入该材料的参数。查手册可知，弹性模量EX=2.06×1011N/m2，泊松比NUXY=0.3，密度DENS=7850Kg/m3，屈服应力SIGYLD=5×108N/m2，正切模数ETA=8×1010N/m2。 ×850的两平面在上下方向约束；2）为了防止主梁出现刚体移动，在主梁左端1830×850的平面中间区域分一小平面约束“前、后方向”及“左、右方向”的自由度。 主梁的载荷分布见图3。 工况一，主梁均主要承受三个载荷，即：1）小车轮压46.2T，偏离主梁中心位置（假定向左）2.89m；2）另一小车轮压83.4T，偏离主梁中心位置（向右）1.6m；3）主梁自重。 工况二，主梁均主要承受三个载荷，即：1）小车轮压83.4T，与主梁端部的距离为1.644m；2）另一小车轮压46.2T，与轮压83.4T距离为4.49m；其中，轮压83.4T距主梁端部距离为1.644m；3）主梁自重。 图3 主梁的载荷分布情况 2．3 网格的划分 本课题选择网格尺寸为70mm，公差为3.5mm。离散后，共有节点总数为684085，单元总数为344383。对于大型复杂的实体，采用快速有限元FFEPlus进行运算，计算速度较快。主梁的网格图如图4所示： 图4 主梁的网格图 3. 计算结果输出 计算完了之后，可以从图中读出各点的应力、位移值。计算结果中应力单位为Pa(即N/m2)，一般采用MPa，位移单位为mm。其中输出应力为Von Mises应力，该应力是按第四强度理论计算的第四相当应力。位移显示为URES指的是各点的总位移。图5和6是主梁工况一下的应力云谱图、位移云谱图。图7和8是主梁工况二下的应力云谱图、位移云谱图。输出图上自动列出了主梁的最大应力、位移值，也可以随意查看各个节点任意方向的应力、位移值。 图5 主梁工况一的应力图 图5 主梁工况一的应力图（详图A） 图5 主梁工况一的应力图（详图B） 图5 主梁工况一的应力图（详图A） 图5 主梁工况一的应力图（详图C） 图6 主梁工况一的位移云谱图（合位移） 图6 主梁工况一的位移云谱图（挠度） 图7 主梁工况二的应力图 图7 主梁工况二的应力图（详图D） 图7 主梁工况二的应力图（详图E） 图7 主梁工况二的应力图（详图D） 图7 主梁工况二的应力图（详图F） 图8 主梁工况二的位移云谱图（合位移）图8 主梁工况二的位移云谱图（挠度） 4. 计算结果分析 4．1 应力分布情况： 图5和7中为各种工况下的应力分布云谱图，红色部分表示应力大，蓝色为应力小的区域。由图5可知，工况一的mises应力最大值为303.6MPa左右，图7显示工况二的mises应力最大值为327.5MPa左右，两种工况的最大mises应力均位于主梁两端半径为500mm的圆弧附近，如A处和D处所示，梁的前、后、左、右圆弧共计四处。显然，应力值超出了材料的弹性变形范围，而且超过材料屈服应力的区域的面积比较大。 4．2 位移分布情况： 图6和8中为各种工况下的位移分布云谱图，红色部分表示位移大，蓝色为位移小的区域。图6显示，工况一的最大合位移为11.48mm， Y方向最大位移（即常说的挠度）为11.46mm（方向向下，为Y的负方向，为负号），位于主梁的中部上方轨道区域。图8显示，工况二的最大合位移为4.8mm， Y方向最大位移（即常说的挠度）为4.76mm（方向向下，为Y的负方向，为负号），位于主梁载荷位置附近。工况一的位移明显比工况二大很多。 5. 改进及优化方式 上述计算结果显示，工况一和二主梁的应力值都超过了许用值，因此不满足设计要求。本课题在同设计人员共同分析以后，对该主梁提出了很多改进方式，并进行了大量