電力機(jī)車車體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度仿真分析

吳　敏，陳　然，張　靈

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州　450052；2.河南財(cái)政稅務(wù)高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州　451464)

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電力機(jī)車車體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度仿真分析

吳敏1，陳然1，張靈2

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450052；2.河南財(cái)政稅務(wù)高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州451464)

摘要：應(yīng)用有限元軟件ANSYS建立某電力機(jī)車車體鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定載荷工況，計(jì)算車體的靜強(qiáng)度和振動模態(tài)。研究結(jié)果表明，該機(jī)車車體的靜強(qiáng)度和剛度滿足要求。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車；有限元；強(qiáng)度；模態(tài)

機(jī)車車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是關(guān)系到機(jī)車運(yùn)行安全的重要指標(biāo)之一，必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文利用有限元分析軟件ANSYS建立某電力機(jī)車車體鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對車體強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，校核車體的靜強(qiáng)度。

1機(jī)車車體的有限元模型

1.1有限元模型的建立

機(jī)車車體結(jié)構(gòu)采用框架式整體承載全鋼箱形殼體焊接結(jié)構(gòu)，雙端司機(jī)室。車體結(jié)構(gòu)不具有完整的對稱性，為使車體有限元模型與實(shí)際車體結(jié)構(gòu)保持一致，保證計(jì)算結(jié)果的有效性，在采用ANSYS建立車體的有限元模型時，采用整車計(jì)算模型。車體有限元模型包括669 812個殼單元、114 254個質(zhì)量單元、6 890個彈簧單元、56 946個體單元和698 836個節(jié)點(diǎn)。車體的有限元模型如圖1所示。

圖1　電力機(jī)車車體的有限元模型

1.2計(jì)算工況的確定

參照《內(nèi)燃、電力機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法》《電力機(jī)車通用技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)，確定了對機(jī)車車體進(jìn)行計(jì)算分析時采用的12個載荷工況，分別為：

(1)極限垂直過載。

(2)縱向壓縮載荷。

(3)縱向拉伸。

(4)司機(jī)室壓縮工況1。

(5)司機(jī)室壓縮工況2。

(6)司機(jī)室壓縮工況3。

(7)排障器壓縮工況。

(8)單端復(fù)軌工況。

(9)整體起吊工況。

(10)內(nèi)架車墊板架車工況。

(11)外架車墊板架車工況。

(12)轉(zhuǎn)向架牽引座沖擊工況。

2車體的強(qiáng)度計(jì)算分析

2.1車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

車體鋼結(jié)構(gòu)所用材料的機(jī)械特性如表1所示。

表1車體材料的機(jī)械性能

車體鋼材料的許用應(yīng)力，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UIC566《客車車體及其部件的載荷》確定，工況1的安全系數(shù)取1.5，工況2和工況12的安全系數(shù)取1.0，其他工況的安全系數(shù)取1.1。各個工況下兩種車體材料的許用應(yīng)力如表2所示。

表2　車體結(jié)構(gòu)所用材料的許用應(yīng)力/MPa

各個工況中車體材料的應(yīng)力如表3所示。從結(jié)果中可以看出，車體材料的應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

其中，轉(zhuǎn)向架牽引座沖擊工況(工況12)下的整車應(yīng)力(單位MPa)云圖如圖2所示。

表3　各個工況中車體材料的應(yīng)力結(jié)果

圖2　工況12下整車應(yīng)力云圖

2.2車體結(jié)構(gòu)的變形分析

在起吊工況下，兩個支座中心間車體邊梁處的垂向撓度必須小于或等于兩個支座中心間距的1/1000。主要工況允許的車體邊梁處的垂向撓度如表4所示。從表4可以看出，車體結(jié)構(gòu)的變形滿足要求。

表4　主要工況允許的垂向撓度/mm

2.3車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)是評價列車運(yùn)行安全性和乘坐舒適性的一個重要參數(shù)[1]。車體具有良好的動態(tài)特性，不僅能避免與轉(zhuǎn)向架自振頻率接近，也能提高車體的彈性彎曲自振頻率[2]。

經(jīng)仿真計(jì)算，自由狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲模態(tài)為14.766 Hz，大于10 Hz；整備狀態(tài)下，車體結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲模態(tài)為9.214 Hz，能夠有效地避開轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭和沉浮振動頻率，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其中,自由狀態(tài)下，車體鋼結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲模態(tài)如圖3所示。

圖3　自由狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)一階垂向彎曲模態(tài)

3結(jié)論

通過以上的計(jì)算分析可以得出,該機(jī)車車體的強(qiáng)度和剛度都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王賀鵬,佟維.車體模態(tài)測試仿真[J].內(nèi)燃機(jī)車,2008(4):1-4.

[2]于金朋,張衛(wèi)華,孫幫成,等.高速車體結(jié)構(gòu)參數(shù)對車體模態(tài)頻率的影響分析[J].鐵道學(xué)報,2015,37(9):32-37.

[責(zé)任編輯：趙偉]

收稿日期：2016 - 03 - 05

作者簡介：吳敏(1979—)女，河南開封人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院國際教育學(xué)院教師。

中圖分類號:U260.331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號：1008-6811(2016)02-0033-03

Simulation Analysis of Static Strength of the Steel Electric Locomotive Car Body

WU Min1，CHEN Ran1，ZHANG Ling2

(1. Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052, China；2. Henan Finance and Taxation College , Zhengzhou 451464, China)

Abstract:Finite element model for the car body structure of steel electric locomotive was established by using the finite element software ANSYS, the load modes were determined according to the corresponding standards. The static strength and vibration forms of the car body were calculated. The results show that the static strength and rigidity of the steel locomotive car body is consistent with the requirement.

Key words:electric locomotive; finite element; strength; mode