严堰

摘要：对带孔钢板进行简单的有限元分析。通过ANSYS路径操作，分析小孔磨损变大后的应力、变形及变化规律。得出小孔在什么情况下磨损严重，需要跟换，为材料的可持续利用和安全质量控制提供了可借鉴的方法。

关键词：动车组;有限元;受力分析

引言

带孔钢板是动车组列车车下各部件安全保护挂绳不可或缺的部件之一。在各种情况下都有不同的作用。由于被挂物体的自身重量和列車运行时部件震动使钢板受到的冲击载荷，使得带孔钢板将受到不同的应力条件，从而磨损破坏。被破坏后的钢板不再起到保护被挂物体的作用，从而可能引发被挂物体的加剧震动，或者脱落的严重后果，以此造成动车组安全事故。

1. 钢板模型的建立及特征参数

动车组上电机三相线吊绳带孔钢板的规格有很多，下图1就是其中的一种。

经过初步孔的受力分析，发现应力主要集中在小孔周围。为了有效的分析钢板小孔应力，现建立钢板长200mm，宽30mm，厚3mm，其上有三个均匀分布的小圆孔，半径为5mm，圆心距离钢板下平面10mm的模型，在一面固定，小孔受垂直方向5KN的力作用，钢板弹性模量 MPa，泊松比PRXY=0.28，密度（DENS）为7850kg/ 。

2. 受力分析

2.1变形分析

对钢板上表面进行所有方向约束，对三圆孔下表面施加5KN的垂直力作用。当量应力最大值为9991.44MPa，发生在受应力集中处;最小值为1.33146MPa，发生在受集中力较远处。可见距集中力作用位置较远处，其受力影响相对较小，也印证了圣维南原理的正确性。该原理于1855年由法国力学家圣维南提出，其内容是：分布于弹性体上一小块面积或体积内的载荷所引起的物体中的应力，在距载荷作用区稍远的地方，基本上只有载荷的合力和合力距有关;载荷的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布。

2.2对小孔的受力分析

动车组运行过程中，小孔会受到不同方向和不同动载荷的磨损作用。现将模拟小孔磨损变大和单方向磨损进行应力分析，并观察变形情况。

模拟单方向磨损1MM后，对钢板上表面进行所有方向约束，对三圆孔下方磨损小孔施加5KN的垂直力作用。当量应力最大值为6373.84MPa，发生在磨损孔受应力集中处;最小值为0.087593MPa。

模拟圆孔磨损变大1MM后，对钢板上表面进行所有方向约束，对三圆孔下方磨损小孔施加5KN的垂直力作用。当量应力最大值为11102.4MPa，发生在受应力集中处;最小值为1.64406MPa。

模拟单方向磨损2MM后，对钢板上表面进行所有方向约束，对三圆孔下方磨损小孔施加5KN的垂直力作用。当量应力最大值为5513.33MPa，发生在磨损孔受应力集中处;最小值为0.043035MPa。

模拟圆孔磨损变大2MM后，对钢板上表面进行所有方向约束，对三圆孔下方磨损小孔施加5KN的垂直力作用。当量应力最大值为12817.3MPa，发生在受应力集中处;最小值为1.70123MPa。

模拟单方向磨损3MM后，对钢板上表面进行所有方向约束，对三圆孔下方磨损小孔施加5KN的垂直力作用。当量应力最大值为6345.22MPa，发生在磨损孔受应力集中处;最小值为0.041709MPa。

模拟圆孔磨损变大3MM后，对钢板上表面进行所有方向约束，对三圆孔下方磨损小孔施加5KN的垂直力作用。当量应力最大值为17630.1MPa，发生在受应力集中处;最小值为2.27795MPa。

2.3不同程度磨损小孔有限元分析

初步对铁板进行受力分析后，并没有得出相对准确的结论来判断铁板小孔磨损到什么程度时，需要进行更换。为了得到更加准确的磨损后铁板变形数据，现根据铁板小孔单方向磨损的深度来进行受力分析。

铁板小孔半径为5mm，中心距离铁板最近边缘为5mm，现假设铁板小孔磨损程度从0.1mm到2.5mm，进行受力分析：

铁板的变形位置位于小孔处受最大应力值处，钢板的变形量随着小孔的磨损深度变大而变大，当小孔磨损到0.6mm左右，变形量趋于一个稳定值，但是变形量还是在缓慢的增加。

铁板的最小应力值是发生在受集中力较远处，钢板受到的最小应力值随着小孔磨损深度的变大而增加，当小孔的磨损程度达到1mm的时候，有个明显变化趋势，当小孔的磨损程度达到2mm的时候，同样发生了一次明显的变换趋势。但是由于铁板的最小应力值是发生在受集中力较远处。所以对于铁板小孔的影响将不会很大。

铁板的最大应力值发生在受应力集中处，铁板的最大应力值随小孔的磨损深度加深而变大，在磨损深度达到1mm的时候，有个急剧变大的现象，随后稍微的下降，在磨损深度达到2.4mm的时候，又出现了急剧上升的情况，并且随后下降。

3. 结论

小孔在磨损达到1mm的时候会出现应力增大后变小的现象，此时小孔受到最大应力值，变性量此时也相对较大，当小孔磨损深度达到2.4mm的时候，再次出现了应力增大随后随着磨损的加深应力变小的现象。

每次对小孔施加的作用力都是5KN，可以看出小孔在不同程度下的受力和变形情况会随着磨损的加深而改变，当小孔磨损1mm时，最大应力急剧增加，此时小孔可能受到变形破坏，需要跟换钢板。如果此次没有跟换铁板，在磨损程度达到2.4mm时，小孔再次受到最大应力值，此时小孔二次受到急剧增加的最大应力值。小孔可能再次受到变形破环。

钢板小孔距离钢板边缘的距离为5mm，根据以上数据分析，初步判断小孔破损程度不宜大于小孔距离边缘宽度的1/2，如果发现小孔磨损超过1/2，将需要更换带孔铁板。为了更加准确的确定更换条件，需要对带孔钢板进行疲劳实验。

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