...细碳酸钙对水泥强度性能和微观结构的影响研究

孙晖东++赵文平++米莉艳

[摘 要]本文对有限元软件Ansys的单元类型进行了分析，建立了铁道车辆的枕梁有限元模型，并分别采用壳单元和实体单元对枕梁结构进行了离散，按照相关试验标准的规定确定了边界条件和载荷工况，并完成了有限元仿真计算。计算结果表明，采用壳单元与实体单元计算结果相差不大，计算结果与型式试验结果基本吻合，基于壳单元的高效实用，建议有限元计算时板类结构最好采用壳单元。

[关键词]单元类型 有限元分析 枕梁强度

中图分类号：U661.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0030-01

1 引言

随着计算机辅助工程（CAE）的广泛应用，利用有限元法可发现薄弱部位，降低疲劳试验风险，缩短实验周期，减少产品试制成本。因此，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视[1]。

面对纷繁复杂的工程问题，如何恰当的选择单元类型，需要知识与经验的不断积累[2]。

枕梁是轨道车辆中非常重要的承载结构，其功能是连接车体和转向架，承受并传递车体与转向架之间的各种垂向、横向和纵向力。因此，对枕梁强度的校核与分析，具有重大现实意义。

本文应用ANSYS，建立了钢板焊接枕梁的有限元计算模型，研究不同的单元类型对计算结果的影响，进而为今后的有限元分析提供指导建议。

2 常用单元类型分析

一个有限元模型分析的成败关键在于有限元分析的前处理，单元类型的选择尤其重要，直接决定着分析的精度与效率。

在建立结构的有限元模型时，常用的单元为壳单元和实体单元，壳单元主要用于薄板模拟，节点数量少，计算规模小，处理的时间短，可有效提高工作效率。

对于大型设备，如果全部采用实体单元建模，由于模型的节点数多，运行时间明显高于壳单元。但是对于有些形状极不规则的结构，在建模时只能离散为实体单元。

本文分别建立壳单元及实体单元钢板焊接枕梁的有限元模型，比较两种不同单元的有限元计算结果。

3 用不同的单元类型建立枕梁的有限元模型

为了真实模拟枕梁的实际受力状态，在建立有限元模型时，考虑了增加部分车体模型，并对车体端部施加三向位移约束。车体与枕梁的连接螺栓用梁单元Beam188替代。

枕梁的有限元模型采用两种单元类型，即Ansys的壳单元shell181和实体单元solid185，单元平均尺寸为5mm，其有限元模型如图1：

载荷的选取按照UIC615-4《动力车—转向架和走行装置—转向架结构强度试验》来确定。

枕梁采用钢板组合焊接而成，其材料为Q345E，机械性能符合GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》。

4 计算结果的对比

本文应用大型有限元软件ANSYS对枕梁进行有限元计算，依据第四强度理论，即用Von Mises应力来衡量各位置应力的大小。

依据计算结果，选择枕梁应力最大的区域对两种单元类型的计算结果进行对比，两种单元下枕梁Von Mises应力计算结果对比情况，如表1。

采用不同的单元类型进行计算，枕梁的最大Von mises应力均远远低于该材料的屈服强度。采用两种单元的计算结果相差不大，最大偏差均小于10%。

为了验证枕梁结构的强度，对其进行了强度型式试验，并贴应变片进行应力测试，应变片所贴位置与仿真计算应力最大位置一致，试验如图2。

为了更有效地对仿真应力计算结果和试验应变片测试结果进行对比，现提取两种单元类型下枕梁下盖板的单元主应力，主应力方向与应变贴片的方向相同，对比结果如表2。

有上表可知，壳单元模型与实体单元模型的计算主应力值相差不大，计算值与试验值的最大偏差为10.2%，主要是由于计算时的车体模型与试验时车体工装的刚度不同造成的。

基于壳单元和实体单元计算得到的应力值相差不大，且与试验实测结果吻合较好。考虑到壳单元在实际应用中的简单、实用、效率高，建议类似枕梁的钢板焊接结构尽量使用壳单元。

5 结论

通过对不同单元类型的枕梁结构有限元分析发现，壳单元的计算结果和实体单元计算结果相比，Von-Mises应力相差不大。

基于两种单元类型获得的结构主应力计算结果与试验测试结果进行对比，结果吻合校好。

壳单元具有计算资源占用少，运行时间明显低于实体单元的优点。为了降低计算费用并得到可靠的计算结果，建议对于板类结构尽量使用壳单元。

参考文献：

[1] 楚琳，张胜兰.基于HyperWorks的结构优化设计[M].北京：机械工业出版社.2007.

[2] 王鑫，麦云飞.有限元分析中单元类型的选择[J].机械研究与应用2009.6