四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、溫升計(jì)算分析

黨安旺　王德柱

摘? 要：該文主要通過(guò)ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、線圈溫升計(jì)算分析，對(duì)四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，用銅導(dǎo)線纏繞的線圈所產(chǎn)生的懸浮力減去自身的重量。通過(guò)溫升計(jì)算，將線圈材料改為鋁材，因?yàn)槠涿芏容^低，所以設(shè)計(jì)出的四點(diǎn)支撐變形較小，有利于更好地檢測(cè)懸浮距離。而后期則對(duì)四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)，為磁懸浮車(chē)輛的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)，希望能為相關(guān)人員起到一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：懸浮;強(qiáng)度分析;溫升計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步、發(fā)展，安全舒適、節(jié)能環(huán)保、快速便捷成了軌道交通發(fā)展的必然趨勢(shì)，正是在這一背景下，磁懸浮列車(chē)得以孕育而生。早在20世紀(jì)70年代，德國(guó)、日本、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家就相繼開(kāi)展了磁懸浮列車(chē)的研究工作。

現(xiàn)存磁懸浮列車(chē)技術(shù)按其懸浮方式主要分為電磁吸引懸浮、永磁力懸浮、感應(yīng)斥力懸浮等;按電磁鐵種類(lèi)主要分為常導(dǎo)吸引型、超導(dǎo)排斥型等，目前其對(duì)應(yīng)列車(chē)速度分別已達(dá)到400 km/h～500 km/h、500 km/h～600 km/h。

我國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)磁懸浮列車(chē)技術(shù)進(jìn)行研究，最具有代表性的單位是西南交通大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)，1989年國(guó)防科技大學(xué)通過(guò)深入研究，成功研制出了一臺(tái)小型磁懸浮原理樣車(chē)。西南交通大學(xué)于1994年研制成功了中國(guó)第一輛可載人常規(guī)低速磁浮列車(chē)，而國(guó)防科技大學(xué)在1995年5月，成功研制出了我國(guó)第一臺(tái)載人磁懸浮列車(chē)。之后，我國(guó)相繼在高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)技術(shù)，永磁懸浮技術(shù)方面展開(kāi)研究。目前我國(guó)成功運(yùn)營(yíng)的線路有中德兩國(guó)合作開(kāi)發(fā)的上海磁懸浮列車(chē)，其速度可達(dá)430 km/h。

1 四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。如圖2所示，車(chē)架中空處穿入軌道，軌道和四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)都放置在立于

注：（1）車(chē)架支撐;（2）“U”型鐵芯;（3）懸浮模塊;（4）左右限位裝置;（5）懸浮距離感應(yīng)器。

地面的架子上，通過(guò)設(shè)計(jì)車(chē)架的高度尺寸保證線圈上表面與軌道下表面的懸浮距離。

2 強(qiáng)度計(jì)算

材料機(jī)械性能： 車(chē)架，材料：0Cr18Ni9，彈性模量： 206 GPa，密度7.85 g/cm3，泊松比0.3，屈服極限205 MPa;支架，材料：20/Q235，彈性模量： 206 GPa，密度7.85 g/cm3，泊松比0.3，屈服極限235 MPa。

2.1 車(chē)架強(qiáng)度分析

車(chē)架三維模型如圖1所示，懸浮模塊通過(guò)螺栓連接到車(chē)架上，整個(gè)懸浮力將通過(guò)螺栓傳遞到車(chē)架下面的托臂，把車(chē)架懸起，車(chē)架采用0Cr18Ni9不銹鋼制造。

2.1.1 有限元模型1

在Sizing中，選中捕捉窄縫和曲率，其余默認(rèn)，網(wǎng)格單元數(shù)53萬(wàn)。

2.1.2 邊界條件及加載

單個(gè)懸浮模塊，通電產(chǎn)生向上的懸浮力共為350 N，對(duì)稱表面施加固定邊界條件。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果

在邊界條件下，計(jì)算得出位移變形最大為0.04 mm，車(chē)架的最大應(yīng)力為65 MPa。

2.2 支架強(qiáng)度分析

支架承擔(dān)車(chē)架裝配體及2個(gè)軌道的重量，采有Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制造。

2.2.1 有限元模型2

在Sizing中，選中捕捉窄縫和曲率，其余默認(rèn)，有限元模型網(wǎng)格單元數(shù)166萬(wàn)。

2.2.2 邊界條件及加載

平臺(tái)懸浮時(shí)，四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)及軌道自重共2 440 N，每個(gè)角施加610 N，四角地面施加固定邊界條件，連接部分bonded。在非運(yùn)行時(shí)狀態(tài)下，平臺(tái)完全落在支架上，此時(shí)的載荷施加到每個(gè)接觸點(diǎn)為250 N，支架的四角壓力為260 N。

3 線圈溫升計(jì)算

線圈的溫度計(jì)算，主要目的是使四點(diǎn)懸浮平臺(tái)能夠長(zhǎng)時(shí)間的懸浮，不破壞線圈的絕緣。該四點(diǎn)懸浮結(jié)構(gòu)的線圈，采用自然風(fēng)冷。四點(diǎn)懸浮結(jié)構(gòu)的線圈主要通過(guò)通電產(chǎn)生對(duì)導(dǎo)軌的吸力，稱該力為懸浮力。在產(chǎn)生同樣懸浮力的情況下，對(duì)鋁導(dǎo)線、銅導(dǎo)線的線規(guī)、匝數(shù)取一樣，分析計(jì)算其溫升。 溫度計(jì)算采用ANSYS軟件建模分析。根據(jù)傳熱學(xué)理論，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的熱傳導(dǎo)方程計(jì)算，計(jì)算時(shí)對(duì)線圈模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、加載和求解。

3.1 基本數(shù)據(jù)

幾何參數(shù)： 線規(guī)2 mm×3.5 mm，線圈截面積30 mm×61 mm，電流密度1.5 A/mm2，重量銅導(dǎo)線/鋁導(dǎo)線4.5 kg/1.4 kg，電阻率銅導(dǎo)線/鋁導(dǎo)線1.732×10-8Ω·m/2.83×10-8Ω·m。

銅導(dǎo)線產(chǎn)熱率計(jì)算：

Q=38970 W/m3

鋁導(dǎo)線產(chǎn)熱率計(jì)算：

Q=63680 W/m3

材料特性：鋁導(dǎo)線比熱容量880 J/（kg·K）， 熱導(dǎo)率203 W/（m·k）銅導(dǎo)線比熱容量381 J/（kg·K），熱導(dǎo)率381 W/（m·k），鋼比熱容量427 J/（kg·K）， 熱導(dǎo)率50 W/（m·k），絕緣比熱容量85 J/（kg·K）， 熱導(dǎo)率2 W/（m·k）。

3.2 模型簡(jiǎn)化

由于懸浮平臺(tái)4個(gè)懸浮模塊相隔較遠(yuǎn)，其通風(fēng)散熱彼此影響較小，所以取懸浮模塊的1/4進(jìn)行建模分析。

3.3 有限元模型

在Sizing中，選中捕捉窄縫和曲率，其余默認(rèn)，有限元模型網(wǎng)格單元數(shù)147萬(wàn)。

3.4 邊界條件及加載

自然對(duì)流換熱系數(shù)取h=6 W/（m·k）。

（自然對(duì)流一般0 W/m2～10 W/m2），環(huán)境溫度T=40 ℃。

3.5 溫度分布

銅導(dǎo)線的溫度最高73 ℃，鋁導(dǎo)線的溫度最高94 ℃，2種材料的導(dǎo)線線圈溫度都滿足溫升要求，但是銅導(dǎo)線比鋁導(dǎo)線重3.1 kg，懸浮力無(wú)法撐起該重量，因此選擇鋁材制作懸浮線圈。

4 結(jié)論

該文通過(guò)ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、線圈溫升計(jì)算分析。通過(guò)把線圈的常規(guī)材料由銅改為鋁，在溫升滿足要求的情況下，把銅改鋁減輕了車(chē)架結(jié)構(gòu)重量，大大降低了車(chē)架的變形，而且有利于懸浮距離的檢測(cè)。后期對(duì)四點(diǎn)支撐懸浮平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)，為磁懸浮車(chē)輛的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張楊，吳超.磁懸浮列車(chē)技術(shù)發(fā)展路線研究[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2017（6）：160-161.

[2]董麗，王淑敏，時(shí)守華.透過(guò)專利看高速磁懸浮列車(chē)制動(dòng)技術(shù)沿革[J].中國(guó)發(fā)明與專利，2018（5）：52-56.