ANSYS软件在钢轨传感器设计中的应用

2013-08-11 by:广州有限元培训实践中心来源:仿真在线

ANSYS软件在钢轨传感器设计中的应用

钢轨传感器是近年来发展起来的一种电容式传感器,可以用在轨道衡上进行称重,称为称重传感器,也可用来测量钢轨的温度应力,它因有精度高、结构简单、安装维护方便的优点,迅速得到了应用.在进行传感器的设计时,多数仍是利用简化的材料力学公式进行粗略的计算,然后通过试验修正参数,即产品的最终定型以试验数据为依据。采用这种设计方法时,产品设计和开发的周期较长,产品的质量也难以提高。而利用有限元分析技术;,则可以对传感器的结构进行确的计算,对应力场以及应变的分布状况和具体数值、贴片位置的合理性等情况作较全面的了解和预测,从而可以为设计提供可靠、有效的技术支持。

    有限元分析在钢轨传感器中的主要应用在以下几个方面:

    1)设计变截面的钢轨中,可以用来计算校核钢轨的强度和刚度,保证运营安全;

    2)可以计算出钢轨腹板上应变变化最大的区域,在这个区域粘贴应变片,提高传感器的反应灵敏度;

    3)可以计算出在粘贴应变片的方向,应变的变化趋势和具体数据,可以为传感器设计做有益的参考.

    本文把有限元分析软件ANSYS引人钢轨传感器的设计应用之中,在力学分析的基础上,建立有限元分析模型以及边界约束条件模型,计算出钢轨的强度极限及确定应力、应变变化的范围,为设计和制造高精度的钢轨传感器提供可靠的理论依据。

1 钢轨传感器刚度和强度计算

选用60 kg/m的标准钢轨来做传感器的载体,材料为普通钢轨钢,材料主要参数如表1。钢轨在受到车轮压力后,由于两端被枕木支撑,钢轨相当于简支梁。在钢轨的下方产生拉应力,在上方产生压应力,在截面上产生剪应力。在不考虑扭转时,轴向应力。与应变二的关系为

σ=Eε(1)

式中:σ为应力,Pa;ε为应变,μm; E为钢轨弹性模量,GPa.

本文采用参数化建模型的方法,钢轨截面模型比较复杂,使用AUTOCAD软件绘制后,导出类型为*. sat文件,然后按照操作:file/import/satfile从AUTOCAD中导人截面图形,再对其进行合理的规划后分成网格,如图1所示.对截面做拉伸操作后就可以得到三维的网格图形.钢轨路基为整体式结构,为了简化计算,假设铁路基础、扣件和垫层为刚性体,对钢轨施加约束条件.轮重压力加载位置在跨度的中点,载荷均匀加载在轨头中线节点上.

    然后进行静态的求解运算,只考察垂直方向的受力,不考察钢轨的扭转和横向力,计算结果如下:

    最大挠度L =0.098 mm;

    最大应力σmax=230. 7 MPa

    根据材料力学的强度校核理论,由计算结果可以看出,σmax<[σ],所以钢轨是安全的.为了增大检测段的长度而拉大跨度或者改变钢轨界面形状时,也可以用这种方法方便快捷地来校核钢轨的强度.

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