四点支撑悬浮平台结构强度、温升计算分析

党安旺　王德柱

摘  要：该文主要通过ANSYS有限元分析软件进行四点支撑悬浮平台的结构强度、线圈温升计算分析，对四点支撑悬浮平台的结构进行优化设计。在设计过程中，用铜导线缠绕的线圈所产生的悬浮力减去自身的重量。通过温升计算，将线圈材料改为铝材，因为其密度较低，所以设计出的四点支撑变形较小，有利于更好地检测悬浮距离。而后期则对四点支撑悬浮平台进行了试验，为磁悬浮车辆的设计积累了经验，希望能为相关人员起到一定参考价值。

关键词：悬浮;强度分析;温升计算

中图分类号：TM315              文献标志码：A

随着社会的不断进步、发展，安全舒适、节能环保、快速便捷成了轨道交通发展的必然趋势，正是在这一背景下，磁悬浮列车得以孕育而生。早在20世纪70年代，德国、日本、英国、韩国等国家就相继开展了磁悬浮列车的研究工作。

现存磁悬浮列车技术按其悬浮方式主要分为电磁吸引悬浮、永磁力悬浮、感应斥力悬浮等;按电磁铁种类主要分为常导吸引型、超导排斥型等，目前其对应列车速度分别已达到400 km/h～500 km/h、500 km/h～600 km/h。

我国自20世纪80年代开始对磁悬浮列车技术进行研究，最具有代表性的单位是西南交通大学、国防科技大学，1989年国防科技大学通过深入研究，成功研制出了一台小型磁悬浮原理样车。西南交通大学于1994年研制成功了中国第一辆可载人常规低速磁浮列车，而国防科技大学在1995年5月，成功研制出了我国第一台载人磁悬浮列车。之后，我国相继在高温超导磁悬浮列车技术，永磁悬浮技术方面展开研究。目前我国成功运营的线路有中德两国合作开发的上海磁悬浮列车，其速度可达430 km/h。

1 四点支撑悬浮平台结构设计方案

四点支撑悬浮平台结构设计如图1所示。如图2所示，车架中空处穿入轨道，轨道和四点支撑悬浮平台都放置在立于

注：（1）车架支撑;（2）“U”型铁芯;（3）悬浮模块;（4）左右限位装置;（5）悬浮距离感应器。

地面的架子上，通过设计车架的高度尺寸保证线圈上表面与轨道下表面的悬浮距离。

2 强度计算

材料机械性能： 车架，材料：0Cr18Ni9，弹性模量： 206 GPa，密度7.85 g/cm3，泊松比0.3，屈服极限205 MPa;支架，材料：20/Q235，弹性模量： 206 GPa，密度7.85 g/cm3，泊松比0.3，屈服极限235 MPa。

2.1 车架强度分析

车架三维模型如图1所示，悬浮模块通过螺栓连接到车架上，整个悬浮力将通过螺栓传递到车架下面的托臂，把车架悬起，车架采用0Cr18Ni9不锈钢制造。

2.1.1 有限元模型1

在Sizing中，选中捕捉窄缝和曲率，其余默认，网格单元数53万。

2.1.2 边界条件及加载

单个悬浮模块，通电产生向上的悬浮力共为350 N，对称表面施加固定边界条件。

2.1.3 计算结果

在边界条件下，计算得出位移变形最大为0.04 mm，车架的最大应力为65 MPa。

2.2 支架强度分析

支架承担车架装配体及2个轨道的重量，采有Q235碳素结构钢制造。

2.2.1 有限元模型2

在Sizing中，选中捕捉窄缝和曲率，其余默认，有限元模型网格单元数166万。

2.2.2 边界条件及加载

平台悬浮时，四点支撑悬浮平台及轨道自重共2 440 N，每个角施加610 N，四角地面施加固定边界条件，连接部分bonded。在非运行时状态下，平台完全落在支架上，此时的载荷施加到每个接触点为250 N，支架的四角压力为260 N。

3 线圈温升计算

线圈的温度计算，主要目的是使四点悬浮平台能够长时间的悬浮，不破坏线圈的绝缘。该四点悬浮结构的线圈，采用自然风冷。四点悬浮结构的线圈主要通过通电产生对导轨的吸力，称该力为悬浮力。在产生同样悬浮力的情况下，对铝导线、铜导线的线规、匝数取一样，分析计算其温升。 温度计算采用ANSYS软件建模分析。根据传热学理论，稳态运行的热传导方程计算，计算时对线圈模型进行简化、加载和求解。

3.1 基本数据

几何参数： 线规2 mm×3.5 mm，线圈截面积30 mm×61 mm，电流密度1.5 A/mm2，重量铜导线/铝导线4.5 kg/1.4 kg，电阻率铜导线/铝导线1.732×10-8Ω·m/2.83×10-8Ω·m。

铜导线产热率计算：

Q=38970 W/m3

铝导线产热率计算：

Q=63680 W/m3

材料特性：鋁导线比热容量880 J/（kg·K）， 热导率203 W/（m·k）铜导线比热容量381 J/（kg·K），热导率381 W/（m·k），钢比热容量427 J/（kg·K）， 热导率50 W/（m·k），绝缘比热容量85 J/（kg·K）， 热导率2 W/（m·k）。

3.2 模型简化

由于悬浮平台4个悬浮模块相隔较远，其通风散热彼此影响较小，所以取悬浮模块的1/4进行建模分析。

3.3 有限元模型

在Sizing中，选中捕捉窄缝和曲率，其余默认，有限元模型网格单元数147万。

3.4 边界条件及加载

自然对流换热系数取h=6 W/（m·k）。

（自然对流一般0 W/m2～10 W/m2），环境温度T=40 ℃。

3.5 温度分布

铜导线的温度最高73 ℃，铝导线的温度最高94 ℃，2种材料的导线线圈温度都满足温升要求，但是铜导线比铝导线重3.1 kg，悬浮力无法撑起该重量，因此选择铝材制作悬浮线圈。

4 结论

该文通过ANSYS有限元分析软件进行四点支撑悬浮平台的结构强度、线圈温升计算分析。通过把线圈的常规材料由铜改为铝，在温升满足要求的情况下，把铜改铝减轻了车架结构重量，大大降低了车架的变形，而且有利于悬浮距离的检测。后期对四点支撑悬浮平台进行了试验，为磁悬浮车辆的设计积累了经验。

参考文献

[1]张杨，吴超.磁悬浮列车技术发展路线研究[J].技术与市场，2017（6）：160-161.

[2]董丽，王淑敏，时守华.透过专利看高速磁悬浮列车制动技术沿革[J].中国发明与专利，2018（5）：52-56.