靜強(qiáng)度仿真計(jì)算中車體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位高應(yīng)力的修正

拜雪玲

摘 要：參照AAR標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對我國鐵路罐車車體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位由于采用線性算法造成高出材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力，借鑒Neuber法則等效應(yīng)力曲線進(jìn)行修正，并采用修正后的應(yīng)力對車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評價，使車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價更合理。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)不連續(xù)；Neuber法則等效應(yīng)力曲線；應(yīng)力修正；評價

1 問題的提出

鐵路貨車車體靜強(qiáng)度仿真計(jì)算一般采用線性算法，對超出材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力仍按材料的彈性模量進(jìn)行計(jì)算，沒有考慮材料非線性的影響，這樣會導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位在載荷作用下出現(xiàn)很高的應(yīng)力，遠(yuǎn)超出材料的許用應(yīng)力，但這樣的應(yīng)力是不真實(shí)的，在現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)中不會出現(xiàn)，對于這種由于計(jì)算方法的局限而造成的高應(yīng)力到底應(yīng)該如何進(jìn)行評價，給我們提出了一個問題。

2 國內(nèi)外的相關(guān)規(guī)定

2.1 國內(nèi)的處理方法

目前國內(nèi)鐵路貨車車體靜強(qiáng)度計(jì)算及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)沒有對上述問題給出明確的說法，各公司對該問題的一般做法是對車體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位出現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定許用應(yīng)力的情況，通過不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)來降低這些部位的應(yīng)力，直至計(jì)算出來的應(yīng)力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。在我公司80t級輕粘油鐵路罐車設(shè)計(jì)過程中，車體靜強(qiáng)度仿真計(jì)算出牽引梁立焊縫起始處應(yīng)力比較大，超出了TB/T1335-1996的要求，為此我們對該部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了大量的工作，最后確定采用在該部位增加兩個圓弧形的連接板，連接板分別與枕梁腹板、牽引梁腹板焊接在一起，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力滿足TB/T1335-1996的要求。

2.2 AAR標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定

AAR標(biāo)準(zhǔn)（2007版）CⅡ分冊第7章7.7.7.4中指出，由于車體中必然包括結(jié)構(gòu)非常不連續(xù)部位，這些部位在載荷的作用下可能會出現(xiàn)局部的材料屈服，在線性有限元分析中沒有包括這些部位實(shí)際結(jié)構(gòu)中會發(fā)生的材料屈服的影響，因此會計(jì)算出非常高的應(yīng)力，但在實(shí)際結(jié)構(gòu)中并沒有發(fā)生很高的應(yīng)力集中，輸出這些高的計(jì)算應(yīng)力是不真實(shí)的，因?yàn)樗鼈兪鞘芊治龇椒ㄏ拗频慕Y(jié)果而不是結(jié)構(gòu)本身引起的，可以用Neuber法則（《用任意非線性應(yīng)力-應(yīng)變法則的剪應(yīng)變柱體的應(yīng)力集中理論》做一個真實(shí)應(yīng)力的估算。AAR標(biāo)準(zhǔn)中給出了屈服強(qiáng)度為345MPa材料的修正曲線，如圖1所示，很明顯，應(yīng)力可以轉(zhuǎn)化為可以與材料的屈服強(qiáng)度相比較的等效應(yīng)力。分析時應(yīng)該用等效應(yīng)力進(jìn)行評定。

圖1 Neuber法則等效應(yīng)力-50ksi屈服材料

該修正曲線的水平軸對Neuber法則等效應(yīng)力曲線，表示仿真計(jì)算出的應(yīng)力（單位為ksi），對材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，代表應(yīng)變（10個單位代表1000微應(yīng)變）。

3 我國鐵路罐車車體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位參照AAR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力修正的可行性分析

AAR標(biāo)準(zhǔn)對鐵路貨車車體靜強(qiáng)度仿真計(jì)算工況及考核標(biāo)準(zhǔn)作出了明確的規(guī)定，對每一工況各載荷規(guī)定了相應(yīng)的載荷系數(shù)，仿真計(jì)算加載時對各工況的載荷乘以相應(yīng)的載荷系數(shù)，對計(jì)算超出材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力按照Neuber法則等效應(yīng)力曲線進(jìn)行修正，并采用修正后的應(yīng)力與所用材料的屈服強(qiáng)度（或80%的抗拉強(qiáng)度，取小值）進(jìn)行比較，以此來確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)對車體靜強(qiáng)度的要求。

與AAR標(biāo)準(zhǔn)不同，我國TB/T1335-1996對車體靜強(qiáng)度考核是采用材料的許用應(yīng)力進(jìn)行，各工況的許用應(yīng)力由材料屈服強(qiáng)度除以相應(yīng)的安全系數(shù)確定。對線性計(jì)算而言，TB/T1335-1996的安全系數(shù)可以轉(zhuǎn)化為載荷系數(shù)，在車體靜強(qiáng)度計(jì)算時，參照AAR標(biāo)準(zhǔn)，對各工況的計(jì)算載荷均乘以相應(yīng)的載荷系數(shù)（取各工況相應(yīng)的安全系數(shù)），計(jì)算應(yīng)力超出屈服強(qiáng)度時進(jìn)行應(yīng)力修正，然后采用材料的屈服強(qiáng)度來考核車體強(qiáng)度。AAR標(biāo)準(zhǔn)中給出了屈服強(qiáng)度為345MPa材料的Neuber法則等效應(yīng)力修正曲線，在我國鐵路罐車車體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位進(jìn)行應(yīng)力修正時可借鑒使用。

4 鐵路罐車結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位應(yīng)力修正實(shí)例

無中梁鐵路罐車牽引梁立焊縫起始處及側(cè)管支柱與枕梁上蓋板連接處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，車體靜強(qiáng)度仿真計(jì)算采用線性計(jì)算方法，在第一工況壓縮組合載荷作用下表現(xiàn)出比較大的應(yīng)力。

4.1 按照TB/T1335-1996計(jì)算

以GQ70型罐車為例，按照TB1335/T-1996規(guī)定的載荷工況對該車進(jìn)行了計(jì)算，重點(diǎn)考查牽引梁立焊縫起始處及側(cè)管支柱與枕梁上蓋板等結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)力，在第一工況壓縮組合載荷作用下，牽引梁立焊縫起始處應(yīng)力為276MPa，側(cè)管支柱與枕梁上蓋板連接處最大應(yīng)力為235MPa。這兩個部位材料為Q345A，第一工況許用應(yīng)力為216MPa，按照傳統(tǒng)做法，這兩個部位計(jì)算應(yīng)力已經(jīng)超出許用應(yīng)力，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 參照AAR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力修正

按照第3部分陳述的思路，對GQ70型罐車第一工況壓縮組合載荷的各載荷分別乘以載荷系數(shù)（取第一工況低合金鋼的安全系數(shù)1.6）重新進(jìn)行計(jì)算，在該載荷作用下，牽引梁立焊縫起始處應(yīng)力為441MPa，側(cè)管支柱與枕梁上蓋板連接處最大應(yīng)力為377MPa。

上述兩個部位線性計(jì)算應(yīng)力已經(jīng)超出其所用材料Q345A的屈服強(qiáng)度345MPa，需要對計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行修正以得到真實(shí)應(yīng)力，由于其所用的材料與圖1（Neuber法則等效應(yīng)力-50ksi屈服材料）給定的材料屈服強(qiáng)度相同，可以借鑒圖1進(jìn)行應(yīng)力修正，經(jīng)過計(jì)算，牽引梁立焊縫處真實(shí)應(yīng)力為329MPa，側(cè)管支柱與枕梁上蓋板連接處真實(shí)應(yīng)力為322MPa，修正后的應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度345MPa，可以判定這兩個部位的強(qiáng)度是能夠滿足要求的。

截至目前，GQ70型輕油罐車已經(jīng)過一個廠修期的運(yùn)用考核，牽引梁立焊縫起始處及側(cè)管支柱與枕梁上蓋板連接部位狀態(tài)良好。

5 結(jié)束語

AAR標(biāo)準(zhǔn)Neuber法則等效應(yīng)力曲線為我們提供了對車體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位高應(yīng)力進(jìn)行修正的可能性，建議在我國鐵路罐車車體靜強(qiáng)度計(jì)算中借鑒采用，使我們對車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的評價更合理。

參考文獻(xiàn)

[1]AAR標(biāo)準(zhǔn)（2007版）CⅡ分冊[S].

[2]TB/T1335-1996.鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].