滿足UIC566標準的車體結(jié)構(gòu)車端設(shè)計優(yōu)化

王世博　鄭曉倩

摘 要：以喀麥隆客車為依托，按照UIC566標準，通過有限元計算對車端結(jié)構(gòu)進行兩種方案的優(yōu)化設(shè)計與分析，優(yōu)化后兩種方案都能滿足強度標準要求，為類似項目的執(zhí)行奠定基礎(chǔ)，做好技術(shù)儲備。

關(guān)鍵詞：UIC566;車端設(shè)計;仿真計算;優(yōu)化

1 簡介

喀麥隆客車項目車體強度執(zhí)行UIC566標準，在車體鋼結(jié)構(gòu)靜強度試驗時，主要是端部壓縮工況下出現(xiàn)了部分應(yīng)力超限的區(qū)域，只能在原鋼結(jié)構(gòu)上進行補強，同時受時間、條件、技術(shù)儲備不足的限制，一些結(jié)構(gòu)并不是最合理的。因此，本文以喀麥隆行李車為基礎(chǔ)，利用仿真計算手段，對其端部結(jié)構(gòu)進一步的優(yōu)化。該車型車端結(jié)構(gòu)類似于25型車的車端結(jié)構(gòu)，如圖1.1，以此結(jié)構(gòu)為研究對象，具有普遍意義。

UIC566標準中，端部壓縮三個工況：（1）工況1：400kN ?最小在緩沖器中心線上方的 350mm水平上;（2）工況2：300kN ?最小在窗護欄水平上;（3）工況3：300kN ?最小在上側(cè)梁水平上，試驗加力如圖1.2。

通過計算和試驗結(jié)果分析：原結(jié)構(gòu)在工況1和工況2基本滿足標準要求，而工況3不能滿足要求，故對工況3下的車端上部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

2 現(xiàn)狀分析

通過端部工況計算，在風(fēng)擋框后的立柱中部、邊梁與端頂槽鋼連接處、風(fēng)擋框上部的端墻板處應(yīng)力均超出材料許用應(yīng)力數(shù)倍，應(yīng)力分布如圖2.1。在實際試驗中，應(yīng)力片貼在風(fēng)擋框后面立柱與槽鋼焊接的根部，所測應(yīng)力值超出了許用應(yīng)力范圍，說明現(xiàn)有的端部結(jié)構(gòu)不能滿足UIC標準的要求，須重新設(shè)計端部結(jié)構(gòu)。

因應(yīng)力超限，現(xiàn)車在端頂槽鋼加8mm封板，應(yīng)力如圖2.2，立柱下口應(yīng)力得到改善，但立柱中部應(yīng)力仍遠超許用應(yīng)力。增加封板有利于提高端頂槽鋼剛度，但對端頂槽鋼以上部位的剛度影響不大。因此，仍需對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行完善。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真計算

原結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)擋框止于端頂中部，而端頂中部結(jié)構(gòu)薄弱，故產(chǎn)生較大變形，風(fēng)擋框端部產(chǎn)生應(yīng)力集中。壓縮力主要通過邊梁向后傳遞，導(dǎo)致邊梁變形也較大。

本文通過二種途徑來降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力：一是采用結(jié)構(gòu)局部補強，改變部分梁柱斷面;二是結(jié)構(gòu)改進，改善力的傳遞途徑。

3.1 結(jié)構(gòu)補強

根據(jù)以上分析，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度較弱，產(chǎn)生大變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大。經(jīng)多次計算，確定結(jié)構(gòu)補強方案，如圖3.1a）、b）、c）所示。

（1）端頂后立柱、橫梁改用斷面尺寸為6x70x80帽型梁;（2）風(fēng)擋框后立柱下口槽鋼焊8mm封板，增加局部剛度;（3）對應(yīng)風(fēng)擋框后立柱的車頂縱向梁改用乙型梁，增大梁的斷面模數(shù);（4）車頂邊梁與端頂槽鋼連接處用連接鐵補強，增加連接剛度;（5）側(cè)墻上邊梁下口加3mm封板，減小邊梁橫向變形;（6）門框與端頂槽鋼用乙型梁連接，減小槽鋼向后位移量;（7）端頂中部墻板后增加8mm補強板，增加承載能力;（8）風(fēng)擋框后部提高50mm，增加受力面積;（9）風(fēng)擋框上部增加封板，減小變形。

通過計算，補強后關(guān)鍵位置處的應(yīng)力分布云圖如圖3.2、3.3、3.4和3.5，立柱應(yīng)力最大值310.5MPa，側(cè)墻上邊梁應(yīng)力最大值251MPa，基本滿足強度要求。相對原結(jié)構(gòu)，應(yīng)力值有大幅降低，但局部仍超出材料屈服強度，如風(fēng)擋框上部最大應(yīng)力385.2MPa，車頂縱梁與立柱連接處最大應(yīng)力356MPa，結(jié)構(gòu)仍需補強。補強方案的結(jié)構(gòu)改動較大，設(shè)計復(fù)雜，結(jié)果并不理想。

3.2 結(jié)構(gòu)改進

結(jié)構(gòu)改進的主要途徑為增加向后的傳力路徑、增加風(fēng)擋框受力面積。通過計算發(fā)現(xiàn)，風(fēng)擋框上部結(jié)構(gòu)對端頂上部應(yīng)力分布起主要作用，風(fēng)擋框外側(cè)增加補板有效分散力的傳遞，但端頂彎梁應(yīng)力超過許用應(yīng)力，故風(fēng)擋框后增加縱梁提高強度。改進方案如圖3.6和3.7，（1）端頂立柱移至風(fēng)擋框正后;（2）風(fēng)擋框后縱梁由3mm改為6mm;（3）風(fēng)擋框后增加一根縱梁;（4）風(fēng)擋框上部加6mm封板;（5）風(fēng)擋框外側(cè)加6mm補板。

經(jīng)計算，端頂最大應(yīng)力為306.5MPa，位于端頂板，應(yīng)力分布如圖3.8;邊梁最大應(yīng)力206.3MPa，立柱下口最大應(yīng)力181MPa，均滿足強度要求，應(yīng)力分布如圖3.9。風(fēng)擋框應(yīng)力最大值574.5MPa，位于風(fēng)擋框端部，為一應(yīng)力集中點，可忽略，其主體結(jié)構(gòu)滿足強度要求，應(yīng)力分布如圖3.10。

4 結(jié)論

（1）本文以喀麥隆客車為依托，對車端結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化與分析，優(yōu)化后兩種方案都能滿足強度標準要求。

（2）在方案1（結(jié)構(gòu)補強）中，整個風(fēng)擋框上部應(yīng)力超限，難以改善;方案2（結(jié)構(gòu)改進）中存在應(yīng)力集中點。方案1設(shè)計復(fù)雜，需要補強的部位較多，結(jié)構(gòu)笨重。方案2只需在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上稍改動，即可滿足要求，工藝性好，故方案2為較優(yōu)方案。

（3）本文按照UIC566標準對車端結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，為今后類似項目的執(zhí)行奠定基礎(chǔ)，做好技術(shù)儲備。

參考文獻：

[1]UIC 566-1990客車車體及其構(gòu)件的載荷.

[2]出口喀麥隆行李車車體結(jié)構(gòu)靜強度及模態(tài)分析報告[R].西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室機車車輛研究所.2012.