基于ANSYS的接地开关箱结构分析

金光，李世伦

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州，450052）

基于ANSYS的接地开关箱结构分析

金光，李世伦

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州，450052）

基于接地开关箱有限元疲劳强度的分析，通过建模、加载计算工况以及约束条件，校核了箱体结构满足静强度设计要求；依据国际焊接学会IIW标准提供的S-N曲线数据和焊接接头疲劳类型，并利用Palmgren-Miner累积损伤法则计算出待测评估点的应力循环次数和损伤比，计算结构表明：箱体的疲劳寿命评估为无限寿命，满足产品疲劳强度设计要求。

有限元；IIW标准；静强度；疲劳强度

前言

结构疲劳强度是关系到轨道车辆悬挂设备行车安全的重大因素之一。结构前期设计时，要求结构紧凑，静强度和疲劳寿命评估就越来越复杂，受振动、冲击以及路况因素的影响，对主要悬挂设备的可靠性分析愈来愈重要。

据工程技术人员统计，焊缝区域发生疲劳失效的频率最高，其特点是焊缝附件产生裂纹、未熔合、应力集中或者焊接变形等。为了减少疲劳失效对产品质量的影响，对结构的抗疲劳设计提出新的要求，参照结构力学和材料力学理论以及大量疲劳试验归纳，提出一套成熟的理论分析方法，并结合有限元分析法校核结构疲劳强度问题。

1 接地开关箱结构介绍

接地开关箱是有方钢和薄钢板焊接而成，各种电气元件有螺栓连接于箱体安装板上。箱体材料为5.3mm和2mm厚的06Cr19Ni10钢，弹性模量为2.1e5，泊松比为0.29，材料密度为7930Kg/m3，屈服强度为205MPa，强度极限通过4个吊耳悬挂于车体上，分线箱吊装结构重量25Kg。接地开关箱吊装组成以及与车体连接的部位参见图1。

图1 接地开关箱吊装组成

2 建立有限元模型

接地开关箱主要是由薄壁板壳和方钢焊接组成，采用shell63单元对结构进行网格划分比较符合实际情况，考虑到箱体为非对称结构，取整体结构单元离

图2 接地开关箱吊装组成部件的有限元模型

3 计算工况及边界条件

考虑到列车的实际运行路况，取5种振动加速度作为本次计算的载荷工况；箱体通过4个螺栓安装孔与车体连接，连接处视为无相对位移（纵向、横向、垂向），约束部位为6个自由度，计算工况及约束条件如表1。

表1 计算载荷工况及约束条件

4 箱体静强度分析

根据以上边界条件、材料属性以及载荷工况，参照静强度设计标准，采用第四理论强度对箱体进行有限元静强度分析，如图3应力云图梯度变化可看出，在第5载荷工况下箱体所承受的等效应力值最大，应力值为70.2MPa，发生在箱体与车体相连的吊耳处，由结构所承受的应力集中所造成；如表2可知，5种载荷工况下的最大等效应力均小于材料的许用值，满足静强度设计要求。

图3 工况5下的应力分布云图

表2 不同工况下的静强度计算结果

5 箱体疲劳强度分析

疲劳强度评估的主要对象是静态关注点、结构关注点和运行关注点，静态关注点指结构所承受的较大静应力区域，结构关注点主要分布于应力集中和焊缝区域，运行关注点是指结构曾经发生裂纹的区域。通过箱体静强度分析结果可知，结构属于静态关注点，通过提取结构较大静态区域评估点的最大主应力来评估箱体的疲劳寿命周期

5.1 疲劳强度分析过程

疲劳寿命分析依然是建立在有限元基础之上，通过加载疲劳谱和线性疲劳累积叠加理论，求出损伤比校核结构的疲劳寿命，使疲劳断裂问题减弱到最小程度，保障结构在服役期内不发生疲劳失效。疲劳寿命估算分析流程如图4所示。

图5 疲劳寿命分析流程

5.2 IIW标准

焊接疲劳特性采用国际焊接学会标准（IIW）评定时,用应力范围来表述S-N曲线，如图6所示，如果载荷谱的最大设计应力的范围低于截止极限，或者低于设计疲劳极限，结构的疲劳寿命以认为是无限的，无须做进一步的损伤计算；如果S-N曲线的恒幅疲劳极限低于108个应力循环，恒幅疲劳极限从5×106 到108的S-N曲线的斜率。

图6 IIW标准中的双斜率S-N曲线

该标准在焊接疲劳分析应用时，首先要基于焊接接头信息的选取和载荷类型的确定，根据应力范围选择对应的疲劳强度类型。应力类型包括名义应力、热点应力和等效缺口应力，对应的疲劳强度类型分别是基于名义应力范围的S-N曲线所表示的疲劳强度、基于热点应力范围的S-N曲线所表示的疲劳强度和基于等效缺口应力范围的S-N曲线所表示的疲劳强度。考虑到低于截止极限的小应力范围对疲劳累积损伤的贡献，根据实测动应力分布特征表明，车辆悬挂设备符合这一特点，所以，小应力循环对结构的疲劳损伤作为疲劳寿命分析的做点。根据静强度结果分析可看出，基于名义应力的S-N曲线作为箱体疲劳寿命分析的理论依据。

IIW中，采用Palmgren-Miner法进行疲劳累积损伤叠加计算，即

式（1）中，Ni表示在某一应力范围内导致疲劳失效的总应力循环次数，ni表示载荷谱中应力范围为Δσi的应力循环次数。

由待测评估点疲劳强度的S-N曲线，得

（2）式中，Δσ1和Δσ2为评估点在S-N曲线上的拐点，C1和C2为常系数，有公式（1）和（2）便可计算出疲劳寿命以及动应力谱对应的损伤比或载荷谱对应的里程数。

5.3 疲劳强度分析

通过加载3种疲劳载荷工况对箱体进行有限元疲劳强度评估，3种工况分别是垂向载荷△0.3g×M、横向载荷△0.3g×M以及纵向载荷△0.4g×M。由应力云图可知：箱体承受的最大主应力均分布于吊耳连接处，由结构的受力特点可确定疲劳类型为材料母材；由表3所示：结构承受的最大主应力均小于材料的许用值，各评估点在应力范围内所承受的循环次数大于108次方，损伤比可认为是0，即箱体的疲劳寿命可评估为无限寿命。

图7 工况1下应力云图

图8 工况2下应力云图

图9 工况3下应力云图

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6 结论

基于接地开关箱有限元法的疲劳寿命评估，利用Hypermesh软件建模和Ansys软件对箱体进行了静强度分析，分析结果表明：最大等效应力为70.2MPa，发生在箱体与车辆连接处的吊耳面上，各载荷工况下的等效应力值均小于材料的许用值，箱体满足静强度设计要求。依据国际焊接协会IIW标准提出的焊接接头类型和S-N曲线对应的循环次数，并结合Palmgren-Miner法计算出各评估的损伤比，计算结果表明：评估点的损伤比比较小，可忽记为0，箱体的疲劳寿命为无限寿命，符合产品疲劳强度设计要求，为产品的预先研发提供可靠的参考。

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Structure Analysis of the Earthing Switch Box Based on ANSYS

JINGuang,LI Shi-lun
(ZhengZhou RailwayVocational&Technical College,Zhengzhou 450052,Henan)

It checks that the box structure satisfying the requirement of static strength design based on finite element fatigue strength analysis of the earthing switch box through modeling,loading calculation conditions and constraints.It calculates the stress cycle-index and damage ratio ofthe evaluation point using the Palmgren-Miner cumulative damage principle based on the s-n curve data and the welded joint types from international institute for welding the IIW.It proves that the fatigue life assessment of the box is infinite,and it meets the design requirements ofthe fatigue strength.

finite element,IIWstandard,static strength,fatigue strength

U231.6

A

1671-5004（2016）04-0016-03

2016-3-4

金光（1980-），男，河南开封市人，郑州铁路职业技术学院讲师，研究方向：机车传动及控制系统。散建立力学模型，箱体内电子元件为非承载体，以质量点的形式附加于箱体上，电子设备以单元mass21进行质量模拟；有限元模型的节点总数为39776，单元总数为39492。有限元模型如图2所示。