有限元的出现已有将近四十年的时间,其涉及的领域包括机械制造、土木工程、电子电器、材料工程、航空航天等。有限元的应用使各领域的设计水平放生了质的飞跃。
从当今国际上有限元软件的发展情况来看,其发展趋势有:
①有限元软件可与大多数cad软件相关集成,我们可以在cad软件中完成部件的机构设计然后将其导入进有限元软件中进行有限元的相关分析,这样不仅大大提高了设计的效率,也能使设计师更快捷的发现设计的问题所在。35672
②有限元软件将具有强大的网格处理能力,在对于三文实体模型生成的网格的质量和效率将大大提高。尤其是人们所期待的751面体网格,其网格的求解和收敛速度也将提高。对于许多工程问题,自适应性网格化分会得到很好的使用。论文网
③有限元软件对于非线性问题的求解能力将大大提高。许多工程材料相关的破坏失效问题仅仅依靠线性理论是不能实现的,必须依靠非线性得到。本文将使用的ABAQUS软件对于非线性研究将有很大帮助。
④耦合场的研究。由于有限元分析的问题向着复杂化,深入化的发展,单一的结构场求解将很难满足要求。耦合场必定是CAE软件的发展方向。
⑤有限元软件将对用户开放程序。有限元软件开放商很难满足所有用户对软件功能的要求。因此其允许用户根据自己需要对软件的程序进行改变以及扩大。包括用户自定义单元特性等。
有限元软件采用先进的计算技术,其功能将被越来越多的广大用户所接受和使用,其性能也会不断提高。
随着社会的发展,传统的通过对实体轮对通过实验进行受力分析的方式也将被通过创建轮对模型运用有限元法进行受力分析所取代。
有限元在轮对中的应用现状
轮轴是铁路机车车辆走形部位的重要部件,也直接关系到行车的安全性。在铁路诞生以来的160多年中,随着铁路运输的发展,轮轴技术的进步一直是世界各国铁路所关注的热点。
通过大量的实验数据以及理论研究,国内外对与车轮车轴结构强度分析都有着不同程度的研究,并制定了相关设计标准。
对于车轮结构,在欧洲铁路行业,主要基于国际铁路联盟UIC510-5:2007《Technical approval of solid wheels》[1]和欧洲EN13979-1:2004《Railway application-Wheel sets and bogies-Mononbloc wheels-Technical approval procedure-Part 1:Forged and rolled wheels》[2]标准规定的机械设计载荷和载荷工况,应用结构有限元法对车轮辐板进行基于无限寿命设计准则的疲劳强度理论计算校核;日本铁路针对铁道车辆车轮辐板的实验室疲劳强度试验研究,也相应提出了一套机械设计载荷和载荷工况确定方法;美国AAR标准S-660-83《机车和货车车轮设计分析评定办法》[3]规定了计算载荷和工况,采用了安全系数比较的评定办法。
对于车轴,目前国际上铁道机车车辆车轴结构设计主要采用了以下两种办法:日本铁路JIS标准[4]和欧洲EN标准中规定的设计方法。我国当前机车车辆的车轴设计主要基于欧洲EN13103-2002《Railway application-Wheelsets and bogies-Non-powered axels-Design method》和EN13104-2002《Railway application-Wheelsets and bogies-Powered axels-Design method》给出的方法,其强度计算方法采用材料力学理论确定车轴危险截面的应力分布。
国内在对轮对强度的研究中,唐道武[5]使用ANSYS8.1软件对带腹板孔车轮进行了三文有限元分析,计算出车轮在直线、曲线、道岔三种工况时其部位的应力分布,利用两种方法算出车轮的安全系数,并且对其疲劳强度进行了分析。刘会英[6]突出了主动轮和从动车轮强度计算的栽荷和当量静应力及疲劳应力计算方法。米彩盈[7]基于国际铁路联盟相关标准,确定了动力车车轮强度分析和对栽荷的计算分析,对车轮进行了有限元建模,对车轮的应力分布进行了模拟,并进行了相关的强度分析。
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