載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體強度及疲勞壽命分析

謝亮

摘 要：文章主要介紹了載重100噸鋁合金煤炭漏斗車的主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)，并對漏斗車的車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析及疲勞壽命分析，分析結(jié)果表明該車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求。

關(guān)鍵詞：漏斗車車體；有限元；強度分析；疲勞壽命分析

1 概述

隨著國內(nèi)鐵路貨車市場的飛速發(fā)展，為了提高鐵路煤炭的運輸效率，實現(xiàn)裝卸作業(yè)的自動化，研制大軸重自卸煤炭漏斗車，有相當(dāng)重要的經(jīng)濟(jì)意義。本文將介紹載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體限元結(jié)構(gòu)、疲勞壽命分析計算。

2 車輛主要技術(shù)性能參數(shù)及基本尺寸

該車在國內(nèi)軌距為1435mm的標(biāo)準(zhǔn)線路上運行，用于煤炭的運輸，也可用于既有線路的散粒貨物裝運。載重100噸鋁合金煤炭漏斗車主要技術(shù)參數(shù)。軌距1435mm，自重≤20t載重100t，軸重30t自重系數(shù)≤0.2，容積115m3，最高運行速度100km/h，曲線通過半徑145m，緊急制動距離≤1400m。

3 建立車體力學(xué)模型

3.1 車體力學(xué)模型

車體結(jié)構(gòu)強度分析采用有限元分析軟件ANSYS 11.0[1]，由于該車車體結(jié)構(gòu)對于其橫向和縱向中央截面對稱，利用結(jié)構(gòu)的對稱性準(zhǔn)則，按TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》[2]靜態(tài)分析時取其1/4結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖1所示。

3.2 模態(tài)分析

取整車車體進(jìn)行自由模態(tài)分析，計算得到的模態(tài)結(jié)果如表1所列。在1階、2階、3階、4階、5階時，對應(yīng)的頻率（Hz）分別為：

9.22、15.31、15.83、18.54、18.61，振型分別為：側(cè)墻端部橫向變形、側(cè)墻端部橫向變形、漏斗隔板彎曲、漏斗隔板彎曲、漏斗隔板彎曲。

4 車體疲勞壽命分析

4.1 疲勞載荷與壽命估算方法

根據(jù)鐵科技[2012]154號文下發(fā)的《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件（暫行）》，載重100噸級鋁合金煤炭漏斗車車體使用壽命應(yīng)在500萬公里以上。本文參照AAR標(biāo)準(zhǔn)M-1001，2007“貨車設(shè)計制造規(guī)范”第7章“貨車的疲勞設(shè)計”（以下簡稱《疲勞設(shè)計》）中的載重90.7t開口漏斗車的載荷譜及標(biāo)準(zhǔn)“BS EN 1993-1-9：2005 Eurocode 3： 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范”中有關(guān)材料疲勞性能數(shù)據(jù)，估算車體各部位在垂向、扭轉(zhuǎn)及縱向疲勞載荷譜作用下的疲勞壽命?？紤]所有載荷下車體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷情況，對車體結(jié)構(gòu)的疲勞強度進(jìn)行綜合評價。

4.2 有限元模型

4.2.1 模型簡化及單元劃分

根據(jù)對稱性，取1/4或1/2個車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析（見圖1）。由于薄板理論的實用性，因此采用殼單元取每塊板的中性層建立該漏斗車有限元分析模型，同時忽略所有非承載結(jié)構(gòu)。采用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，嚴(yán)格控制網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，以保證獲得精確的變形、高的應(yīng)力區(qū)域以及應(yīng)力梯度分布。采用梁單元和單向彈簧元模擬轉(zhuǎn)向架與車體之間的聯(lián)接。車體1/4有限元模型統(tǒng)計數(shù)據(jù)，NODE：106060，SHELL181：97374，BEAM4：803，COMBIN14：1。

4.2.2 約束設(shè)置

根據(jù)車體受力情況在模型中施加相應(yīng)的垂向、橫向及縱向位移約束。由于對稱性，在相應(yīng)的對稱面上施加對稱或反對稱約束，心盤處加垂向彈性約束。模型中坐標(biāo)軸的方向為：車體縱向為X軸，橫向為Z軸，垂向為Y軸。

4.3 疲勞壽命估算結(jié)果

首先進(jìn)行車體在垂向心盤載荷100t、縱向100t拉伸載荷和縱向100t壓縮載荷、扭轉(zhuǎn)40kN·m載荷和36t旁承載荷工況下的有限元應(yīng)力分析，得出這些參考應(yīng)力后，參照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)建議給出的，如表1所示的疲勞壽命評價部位的典型疲勞性能參數(shù)，對車體進(jìn)行各分力譜下的疲勞損傷估算，最后折算出疲勞壽命（運用公里數(shù)），結(jié)果見表1。

5 結(jié)束語

綜上所述，載重100噸級鋁合金煤炭漏斗車車體各部位的疲勞壽命均大于500萬公里的設(shè)計壽命要求，通過車體疲勞壽命計算分析，盡量避免了焊縫質(zhì)量較差位置的疲勞壽命過低的情況，載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體結(jié)構(gòu)靜強度和剛度及疲勞壽命滿足《規(guī)范》和《技術(shù)條件》的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]AAR Manual of Standards and Recommended Practices， Sec-tion C， ParⅡ-Design，F(xiàn)abrication，and Construction of Freight Cars， Chapter 4 Design， 2010.

[2]TB/T 1335-1996.鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范[S].

[3]嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程（第三版）[M].北京：中國鐵道出版社，2009.