基于ANSYS的环园列车轨道的优化设计

赵九峰

（武汉顺源游乐设备制造有限公司，湖北  武汉430034）

摘要：建立了环园列车轨道的力学模型，确定了工作状态下环园列车轨道受到的各种载荷的计算公式；应用ANSYS有限元分析软件，建立环园列车轨道的参数化模型，对轨道的4种设计方案进行了优化设计，为设计人员提出合理建议，得出的结论为环园列车轨道的设计提供了可靠的依据。

关键词：环园列车；轨道；优化设计；ANSYS

中图分类号：U213. 2+1：TP391.7 文献标识码：A

0  引言

 在结构设计过程中，近年来发展起来的优化设计技术可使结构参数的选择达到最佳，有限元法可使以前难以定量计算的问题获得极好的解决。利用ANSYS有限元分析软件，在设计阶段可进行多方案的对比，揭示结构各类参数变化对产品性能的影响，并进行设计方案的修改和调整，使产品达到性能和质量上的最优、原材料消耗最低，它为高质量、高水平、低成本的产品设计与开发提供了保证。

 环园列车是一种单轨架空游览车类的游乐设备，深受人民群众的喜爱。轨道承载着整组列车的重量，直接关系着列车运行的平稳性和安全性，因此对其进行有限元分析和优化设计是非常必要的。本文应用ANSYS有限元分析软件，建立环园列车轨道的参数化模型，对轨道的4种设计方案进行了优化设计，得出的结论为环园列车轨道的设计提供了依据。

1  轨道的载荷特性分析

 该环园列车的总质量m=l.2×l04 kg（含乘客），为封闭型结构，长度L=20 m，高h=2.2 m，由4节车厢通过5组轮系连接而成，运行速度υ=2.2 m/s。环园列车在高架单轨道上运行，轨道的最小转弯半径r=30 m，轨道每隔6m有一个立柱支撑。环园列车设备简图如图1所示。

  环园列车的载荷示意图如图2所示。

1.1  轨道的离心力

 环园列车通过弯道行走时，对轨道产生离心力的作用，力学模型如图2所示，则轨道受到列车总的离心力为：

将已知参数代入式(1)，经计算F1 =1 936 N。

1.2  风载

 露天工作的游乐设备，应考虑风载荷的作用，假定风载荷是沿环园列车最不利的水平方向作用的静力载荷，根据GB8408- 2008《游乐设施安全规范》，游乐设施的设计按最大运行风速υs=15 m/s计算工作状态下的风载荷，计算风压为：

 经计算p=141 N／m2。

 风向与环园列车的侧面垂直时，风载荷沿环园列车最不利的方向，沿此风向的风载荷为：

其中：C为风力系数，由文献[5]表3- 11查得C=1. 20;A为垂直于风向的实体迎风面积，A= 44 m2。径计算F2 =7445 N。

1.3  冲击载荷

 由于来自轨道连接处或磨损后轨道形成的凹坑，环园列车在运行过程中有可能出现冲击，从而产生冲击载荷，其值在设计时一般无法准确计算，因此，在进行强度计算时，其载荷必须乘以冲击系数，则冲击载荷为：

其中：K为冲击系数，环园列车的行驶速度小于10 km/h，根据文献[4]，取K=1.1；g为重力加速度，g=9.8m/s2。经计算F3 =129 360 N。

1.4  防倾轮压力

 设备的抗倾覆稳定性是指设备在自重和外载荷作用下抵抗翻倒的能力，校核抗倾覆稳定性的基本原则是：作用在设备上包括自重在内的各项载荷对危险倾覆边的力矩代数和必须大于或等于零。

 环园列车车厢载荷示意图如图2(b)所示，危险倾覆边为轨道的上左边线，车厢的倾覆力矩为：

其中：a为倾覆边到倾覆力作用线的距离，取车厢高度的一半，a=l.l m。

车厢的稳定力矩为：

其中：b为倾覆边到重力作用线的距离，b=0.06 m;c为倾覆边到防倾轮压力作用线的距离，c=0. 38m; F4为防倾轮受到轨道的压力。

则环园列车在稳定状态下，由力矩平衡可知：

 联立式(5)、式(6)、式(7)可得防倾轮受到轮轨的压力：

将各参数值代入式(8)计算得F4 =6 730 N。

2有限元模型

 利用ANSYS软件对环园列车轨道进行参数化建模，通过改变立柱支撑的水平距离x、轨道支撑的间隔y和立柱间轨道支撑间隔的数量z，选择合理的轨道设计参数，以满足设计要求。立柱间的水平距离为6m，轨道参数示意图如图3所示。

根据实际条件，分别计算4种设计方案的轨道：

方案1:x=0.6 m，y=0.6 m，z=10;

方案2:x=0. 6m，y=0.5 m．z=12;

方案3:x=l.0 m，y=0.6m，z=10;

方案4:x=l.0 m，y=0. 5m，z=12。

整组环园列车在转弯部位对应的弧度为：

 将有关数值代人式(9)，经计算θ=38°。

 由于列车对应的轨道弧度较小，轨道可近似直线段进行校核。建立一段列车轨道，由于焊接材料都为型钢，可利用梁单元构造轨道模型，并进行网格划分，如图4所示。

3优化分析

 环园列车由4节车厢、5组行走轮系组成，在轨道与轮子接触的部位施加相应的载荷，立柱底部施加全约束，重力加速度为9.8 m/s2。

 通过改变轨道相应的参数，对4种方案的环园列车轨道分别进行仿真计算，轨道的应力云图如图5所示。

4结论

 在有限元软件ANSYS中，建立了环园列车轨道的有限元参数化模型，分4种方案进行优化计算，计算结果表明：

 (1)原设计方案1的安全系数不满足设计要求。

 (2)方案2安全系数满足设计要求。相对于原设计方案1，方案2安全系数提高了12%，轨道质量仅增加了1.4%；同时也是3种满足要求方案中，轨道质量最小的，得出了轨道设计的合理参数，节省了工程材料。

 (3)通过本文对环园列车轨道的仿真设计，设计者可在轨道研制出来之前对轨道的应力有一个较为准确的了解，对于降低产品开发成本、提高产品设计效率具有一定现实意义。

参考文献：

[1]丁欣硕，凌桂龙．Ansys Workbench 14.5有限元分析案例详解[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2]丁文，霍光青．浅谈林用单轨运输系统轨道啮合机构的优化设计[J].河北林业科技，2011(10)：65-67.

[3]濮良贵，纪名刚．机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006．

[4]全国索道与游乐设施标准化技术委员会．GB 8408-2008游乐设施安全规范[S].北京：中国标准出版社，2012：3-4.

[5]  徐格宁，徐克晋，陆凤仪，等，机械装备金属结构设计[M].北京：机械工业出版社，2009．

[6]张质文，虞和谦，王金诺，等，起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[7]赵春光，张荣华．综采设备列车通过大角度弯道方案探索[J]．内蒙古煤炭经济，2013(2)：42-45．

Optimal Design of Track of Central Park Train Based on ANSYS

ZHAO Jiu-feng

 (Wuhan Shunyuan Amusement Equipment Manufacturing Corporation, Wuhan 430034, China)

Abstract: This paper established a mechanical model of central park train, determined the load calculation formula of central park train in different working conditions, and built the parameterized model of the track of central park train by ANSYS, four design schemes of the track were analyzed and optimized. The conclusion of this paper gives some reasonable suggestion for designers and provides credible foundation for the design of the track of central park train.

Key words: central park train; track; parameterization; ANSYS