鐵路站臺板面主橫縱梁連接處優(yōu)化設(shè)計

王美麗，曾運清，張瑞鵬

(1.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津300161;2.軍事交通學(xué)院聯(lián)合投送系，天津300161)

某型站臺是一種預(yù)定用于輪式和履帶式裝備上下鐵路平車而臨時搭設(shè)的制式保障裝備，是列入我軍后勤裝備體系的軍交運輸保障裝備之一，對于提高我軍鐵路輸送快速裝卸載能力具有十分重要的意義。該裝備結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)人員少、架設(shè)速度快，在保障我軍輪式和履帶式裝備鐵路裝卸載過程中發(fā)揮了重要的作用。但該站臺在實際使用過程中出現(xiàn)了站臺板端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板的連接焊縫普遍產(chǎn)生裂紋的問題，在一定程度上影響和制約了裝備通載安全和裝卸載效率。

1 站臺組成及開裂原因分析

1.1 站臺組成及問題提出

該裝備由搭板、站臺板、支腿總成、礎(chǔ)板、調(diào)整塊、底座及輔助器材組成(如圖1所示)。其中，站臺板是裝備的主要構(gòu)件，可以連續(xù)搭設(shè)三跨，其一端通過礎(chǔ)板搭設(shè)在道床或地面上，另一端通過搭板搭設(shè)在鐵路平車上，共同組成一個裝卸通道。該裝備每跨由外側(cè)站臺板、中間站臺板和內(nèi)側(cè)站臺板組成，其結(jié)構(gòu)相同，外形尺寸略有不同。站臺板由面板、主縱梁、中間縱梁、橫梁及耳板等組成，材質(zhì)為705鋁合金。端橫梁采用槽鋼，主縱梁采用工字鋼，兩者焊接在一起［1-2］(如圖2所示)。

圖1 某型保障裝備外形

圖2 站臺板結(jié)構(gòu)

通過部隊調(diào)研及對該站臺進行后雙軸輪式車輛(單軸荷載13 t)和ZTZ99式坦克通載試驗［3］，均發(fā)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)站臺板的端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板的連接焊縫出現(xiàn)細小豎向裂紋(如圖3所示)。

圖3 端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板連接處焊縫裂紋

1.2 產(chǎn)生裂紋原因分析

四邊支承的面板，當(dāng)長跨與短跨兩者計算跨度之比大于2時，稱單向板。此時，按照彈性理論進行計算可知，長跨方向所分配到的荷載不到6%［4］。本文長跨與短跨之比 l2/l1=700/200=3.5＞2，所以板上的荷載沿 l2(長邊)方向傳遞的很少，可以略去，板上荷載主要沿l1(短邊)方向傳遞給支座。因此，槽鋼承受豎向荷載發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生正應(yīng)力。根據(jù)兩梁的具體連接方式(槽鋼焊接在工字鋼上)，正應(yīng)力幾乎全部由焊縫承擔(dān)。

通過分析，站臺板產(chǎn)生裂紋的主要原因:一是槽鋼翼緣板尺寸較小，其與槽鋼翼緣板間的對接焊縫尺寸較小，而端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板交界處應(yīng)力比較大;二是端梁下翼板厚度為6 mm，主梁下翼板厚度為12 mm，兩種板厚相差比較大，缺乏平順過渡措施，形成對接焊縫應(yīng)力集中，在反復(fù)荷載作用下，此處更容易出現(xiàn)裂紋直至破壞。

2 有限元分析

合理的有限元模型能夠以較高的精度對實際構(gòu)件的受力情況進行模擬，本文使用有限元軟件Ansys，用數(shù)值計算的途徑解決問題。首先，建立站臺板整體模型進行靜載分析，提取站臺板端橫梁與主縱梁連接處節(jié)點位移;然后，建立該連接處實體模型進行分析，分析計算結(jié)果，提出改進措施;最后，建立改進后節(jié)點模型進行分析，對改進以后的節(jié)點進行有限元分析，對比改進前后計算結(jié)果來驗證改進措施的有效性。站臺板材料屬性見表1。

表1 站臺板材料性能

2.1 整體分析

本文按圖4所示承受荷載的外側(cè)站臺板為研究對象，采用beam188單元模擬站臺板主縱梁和端橫梁，通過定義橫截面尺寸來模擬實際情況。面板厚度為6 mm，可以用 shell63單元模擬，shell63是一種有代表性的4節(jié)點板殼單元，每個節(jié)點有6個自由度(3個平動、3個轉(zhuǎn)動)，它具有彎曲和薄膜特性，能承受面內(nèi)和法向載荷［5-6］。模型邊界條件為在一個角點施加固定鉸支座(只約束其3個平動自由度，不約束轉(zhuǎn)動自由度)約束，一個角點限制x、z向位移，另兩個角點限制z向位移，用以模擬站臺板通過支耳搭在支腿上，在外力作用下可以有一定水平方向的位移。

如圖4(a)所示，輪式車輛當(dāng)后雙軸同時作用在一塊站臺板且偏載加載荷載時最不利，此處單軸載荷為13 t，雙軸之間距離1.4 m，輪胎接地長度0.2 m、寬度 0.6 m。如圖 4(b)所示，ZTZ99 式坦克靜置在站臺上，履帶寬 0.6 m，接地長度5.04 m。利用有限元軟件Ansys進行靜力分析后的Von mises應(yīng)力云圖如圖5所示。提取節(jié)點位移Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz，為 節(jié) 點 詳 細 分 析 做準備。

圖4 外側(cè)站臺板有限元模型

圖5 站臺板Von mises等效應(yīng)力云圖

文獻［7］根據(jù)《舟橋設(shè)計手冊》第3分冊，按照輪式載13 t軸壓外側(cè)偏載計算，在計算中假定60%的輪式荷載由外側(cè)主梁承受，僅作用在一跨上為最不利，最終求得站臺板最大應(yīng)力為主梁跨中彎曲最大正應(yīng)力，應(yīng)力為202.87 MPa。這與前文Ansys有限元計算所取載荷、所得計算結(jié)果接近，可以證明上述有限元模擬的有效性。

2.2 原連接處有限元分析

考慮到本文研究的主要目的是對端橫梁與主縱梁連接處槽鋼和工字鋼連接方式進行優(yōu)化設(shè)計，為使得計算結(jié)果更直觀，擬將連接處槽鋼和工字鋼各截取一部分進行分析，建立如圖6所示的原連接處有限元模型。施加整體分析中該模型邊界截面處的位移，詳細分析連接處應(yīng)力與位移。

圖6 連接處實體有限元模型

為了使所建立的有限元模型具有合理性和精確性，首先建立了與實際構(gòu)件組成相同的有限元精確模型，即該型裝備外側(cè)站臺板一邊的端橫梁下翼板與主縱梁下翼板節(jié)點細部模型。該模型節(jié)點選擇空間8節(jié)點六面體單元solid45單元模擬，該單元每個節(jié)點3個自由度(Ux，Uy，Uz)，能夠有效地實現(xiàn)彈性、彈塑性、蠕變等空間有限元問題的仿真。建模過程為先建立實體，實體中各相交處通過布爾運算合并重疊區(qū)域，再劃分網(wǎng)格(如圖6所示)。對耳板的形狀進行了一定簡化，但是通過施加適當(dāng)?shù)募s束并不影響所要關(guān)注部位的分析結(jié)果。另外，從整體結(jié)構(gòu)靜力分析的計算結(jié)果中提取圖6所示節(jié)點模型邊界處的位移 Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz，在邊界形心處施加位移荷載，并通過建立MPC剛性區(qū)域的方法，將節(jié)點位移傳遞到模型邊界截面上，從而模擬節(jié)點的受力狀態(tài)［8-9］。

圖7為槽鋼和工字鋼連接處Von mises等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出:站臺板端橫梁與主縱梁連接處應(yīng)力比較大，且下翼緣板連接處應(yīng)力比上翼緣連接處應(yīng)力更大，在輪載作用下站臺板下翼緣板連接處的應(yīng)力為201.8 MPa，在ZTZ99式坦克作用下此處應(yīng)力為97.3 MPa，這是由于站臺在實際使用過程中，面板對上翼緣處焊接應(yīng)力有一定的減小作用，使得下翼緣連接處相對比較薄弱，更容易發(fā)生破壞。

圖7 連接處Von mises等效應(yīng)力云圖

為了解決這一問題，經(jīng)多次改進方案設(shè)計、樣品試制以及實裝通載，最終采取以下加強措施:將單耳端部和下部過渡板寬度尺寸加大(如圖8所示)，并將其分別與槽鋼和工字鋼焊接到一起，起到連接板的作用，與對接焊縫共同承擔(dān)此處的作用力，從而降低對接焊縫的應(yīng)力［10］。

圖8 主縱梁與端橫梁連接處改進前后對照

2.3 改進連接處有限元分析

圖9 為站臺板端橫梁與主縱梁連接處改進后節(jié)點模型。從圖10給出的Von mises等效應(yīng)力云圖中可以看出，在站臺板端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板的連接的對接焊縫處應(yīng)力比未作改進之前小很多，在輪載作用下站臺板下翼緣板連接處的應(yīng)力減小為62.6 MPa，在ZTZ99式坦克作用下此處應(yīng)力為34.3 MPa，與改進前相比應(yīng)力減小70%左右。

圖9 改進后節(jié)點模型

圖10 改進后連接處Von mises等效應(yīng)力云圖

試驗［3］表明，通過采取上述技術(shù)措施后，全部站臺板在經(jīng)過后雙軸輪式車輛(單軸荷載13 t)和ZTZ99式坦克通載可靠性試驗后，連接處均未發(fā)現(xiàn)異常。數(shù)值分析和試驗均表明這一改進設(shè)計非常有效。

3 結(jié)語

本文通過有限元分析軟件Ansys建立三維實體模型，著重對某型裝備外側(cè)站臺板端橫梁與主縱梁的連接處受力特性進行數(shù)值模擬，并對兩種情況進行對比，一種是單耳端部和下部過渡板寬度尺寸比較小，僅在主縱梁下側(cè);另一種情況是過渡板寬度尺寸比較大，延伸到槽鋼下側(cè)，作為槽鋼與工字鋼之間的連接板并與兩者焊接在一起。通過數(shù)值分析并結(jié)合實裝通載試驗結(jié)果，可以得出:將單耳端部和下部過渡板寬度尺寸加大，作為槽鋼與工字鋼之間的連接板，與對接焊縫共同承擔(dān)此處的作用力，從而降低對接焊縫的應(yīng)力，受力更為合理，從而提高了構(gòu)件的承載能力和安全可靠性。本文分析計算思路可為其他同類構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計提供參考。

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