ANSYS軟件在鋼軌傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-08-11 by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心來(lái)源:仿真在線

鋼軌傳感器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種電容式傳感器,可以用在軌道衡上進(jìn)行稱重,稱為稱重傳感器,也可用來(lái)測(cè)量鋼軌的溫度應(yīng)力,它因有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn),迅速得到了應(yīng)用.在進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)時(shí),多數(shù)仍是利用簡(jiǎn)化的材料力學(xué)公式進(jìn)行粗略的計(jì)算,然后通過(guò)試驗(yàn)修正參數(shù),即產(chǎn)品的最終定型以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)。采用這種設(shè)計(jì)方法時(shí),產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的周期較長(zhǎng),產(chǎn)品的質(zhì)量也難以提高。而利用有限元分析技術(shù);,則可以對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行確的計(jì)算,對(duì)應(yīng)力場(chǎng)以及應(yīng)變的分布狀況和具體數(shù)值、貼片位置的合理性等情況作較全面的了解和預(yù)測(cè),從而可以為設(shè)計(jì)提供可靠、有效的技術(shù)支持。

    有限元分析在鋼軌傳感器中的主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面:

    1)設(shè)計(jì)變截面的鋼軌中,可以用來(lái)計(jì)算校核鋼軌的強(qiáng)度和剛度,保證運(yùn)營(yíng)安全;

    2)可以計(jì)算出鋼軌腹板上應(yīng)變變化最大的區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域粘貼應(yīng)變片,提高傳感器的反應(yīng)靈敏度;

    3)可以計(jì)算出在粘貼應(yīng)變片的方向,應(yīng)變的變化趨勢(shì)和具體數(shù)據(jù),可以為傳感器設(shè)計(jì)做有益的參考.

    本文把有限元分析軟件ANSYS引人鋼軌傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用之中,在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,建立有限元分析模型以及邊界約束條件模型,計(jì)算出鋼軌的強(qiáng)度極限及確定應(yīng)力、應(yīng)變變化的范圍,為設(shè)計(jì)和制造高精度的鋼軌傳感器提供可靠的理論依據(jù)。

1 鋼軌傳感器剛度和強(qiáng)度計(jì)算

選用60 kg/m的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌來(lái)做傳感器的載體,材料為普通鋼軌鋼,材料主要參數(shù)如表1。鋼軌在受到車輪壓力后,由于兩端被枕木支撐,鋼軌相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁。在鋼軌的下方產(chǎn)生拉應(yīng)力,在上方產(chǎn)生壓應(yīng)力,在截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。在不考慮扭轉(zhuǎn)時(shí),軸向應(yīng)力。與應(yīng)變二的關(guān)系為

σ=Eε(1)

式中:σ為應(yīng)力,Pa;ε為應(yīng)變,μm; E為鋼軌彈性模量,GPa.

本文采用參數(shù)化建模型的方法,鋼軌截面模型比較復(fù)雜,使用AUTOCAD軟件繪制后,導(dǎo)出類型為*. sat文件,然后按照操作:file/import/satfile從AUTOCAD中導(dǎo)人截面圖形,再對(duì)其進(jìn)行合理的規(guī)劃后分成網(wǎng)格,如圖1所示.對(duì)截面做拉伸操作后就可以得到三維的網(wǎng)格圖形.鋼軌路基為整體式結(jié)構(gòu),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)鐵路基礎(chǔ)、扣件和墊層為剛性體,對(duì)鋼軌施加約束條件.輪重壓力加載位置在跨度的中點(diǎn),載荷均勻加載在軌頭中線節(jié)點(diǎn)上.

    然后進(jìn)行靜態(tài)的求解運(yùn)算,只考察垂直方向的受力,不考察鋼軌的扭轉(zhuǎn)和橫向力,計(jì)算結(jié)果如下:

    最大撓度L =0.098 mm;

    最大應(yīng)力σmax=230. 7 MPa

    根據(jù)材料力學(xué)的強(qiáng)度校核理論,由計(jì)算結(jié)果可以看出,σmax<[σ],所以鋼軌是安全的.為了增大檢測(cè)段的長(zhǎng)度而拉大跨度或者改變鋼軌界面形狀時(shí),也可以用這種方法方便快捷地來(lái)校核鋼軌的強(qiáng)度.

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