某低速調(diào)車機(jī)車靜強(qiáng)度、模態(tài)計(jì)算分析

馬天逸

摘 要：以一種低速調(diào)車機(jī)車為對(duì)象，利用ANSYS軟件建立車體結(jié)構(gòu)的有限元模型，根據(jù)EN12663-1標(biāo)準(zhǔn)確定車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度載荷工況，評(píng)估車體結(jié)構(gòu)的剛度、靜強(qiáng)度和模態(tài)頻率。計(jì)算結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、剛度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：低速調(diào)車機(jī)車;有限元分析;靜強(qiáng)度;模態(tài)分析

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)車為底架承載結(jié)構(gòu)，底架是車體的主要承載部件，承受車體結(jié)構(gòu)自重和車內(nèi)及車體下安裝設(shè)備質(zhì)量及其各向振動(dòng)產(chǎn)出的載荷、列車的牽引力和制動(dòng)力，其主要由牽引梁、中梁、側(cè)梁、枕梁和油箱梁等組成。底架分為前端部、后端部、中梁、牽引橫梁、邊梁、底架附件等幾大部分組成，主要結(jié)構(gòu)材質(zhì)均采用Q345E鋼。

二、靜強(qiáng)度分析

（一）有限元模型

在計(jì)算模型的建立中，充分考慮了各部分連接的真實(shí)情況。車體結(jié)構(gòu)的薄板采用殼單元進(jìn)行離散。本文機(jī)車為底架承載結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度僅使用底架進(jìn)行計(jì)算，模態(tài)分析使用整體車體進(jìn)行計(jì)算。

（二）計(jì)算工況與載荷

按照EN12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)要求，下面列出了9個(gè)靜強(qiáng)度計(jì)算工況及說明。

（1）垂直靜載工況：作用載荷主要包括柴油機(jī)、燃油箱、電氣設(shè)備、蓄電池、制動(dòng)裝置、冷卻裝置等車上設(shè)備重量，車體自重以及各管、線等分布載荷。約束點(diǎn)為4個(gè)旁承座。

（2）垂直動(dòng)載工況：作用載荷為垂直靜載工況的全部垂直載荷。約束點(diǎn)為4個(gè)旁承座。為考慮機(jī)車運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)強(qiáng)度的影響，所有垂直載荷均需乘動(dòng)載系數(shù)kd，取kd=1.3。

（3）縱向壓縮工況：作用載荷：（1）相向作用于底架兩端牽引梁內(nèi)從板座處的1470 kN縱向壓縮力;（2）垂直靜載工況的全部垂直載荷。約束點(diǎn)為4個(gè)旁承座。

（4）拉伸工況：作用載荷：（1）計(jì)算載荷為作用于底架兩端牽引梁外從板座處的、相互拉伸的980kN縱向拉伸力;（2）垂直載荷工況的全部垂直載荷。約束點(diǎn)為4個(gè)旁承座。

（5） I位端救援工況：作用載荷為垂直載荷工況的全部垂直載荷和脫軌的后轉(zhuǎn)向架重量。全部垂直載荷需乘動(dòng)載系數(shù)kd，取kd=1.1。約束點(diǎn)共4個(gè)：I位端兩個(gè)救援吊座處，II位端兩個(gè)旁承座下的橡膠堆下平面。

（6） II位端救援工況：作用載荷為垂直靜載工況的全部垂直載荷和脫軌的后轉(zhuǎn)向架重量。全部垂直載荷需乘動(dòng)載系數(shù)kd，取kd=1.1。約束點(diǎn)共4個(gè)：II位端兩個(gè)救援吊座處，I位端兩個(gè)旁承座下的橡膠堆下平面。

（7） 機(jī)車整體起吊工況：作用載荷為垂直靜載工況中的全部垂直載荷和兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的總重量;約束點(diǎn)為4個(gè)救援吊座。

（8） 架車工況：作用載荷為垂直靜載工況中的全部垂直載荷和兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的總重量;約束點(diǎn)為4個(gè)架車位。

（9） 扭轉(zhuǎn)工況：作用載荷為垂直靜載工況中的全部垂直載荷和40KN？M扭矩;約束點(diǎn)為對(duì)角兩個(gè)旁承座。

（三）靜強(qiáng)度分析結(jié)果

（1）垂直靜載工況：垂直載荷工況下底架的最大下?lián)袭a(chǎn)生在I位端操作室地板，其值為Wmax=-1.00 mm;垂直載荷工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在中梁與牽引梁腹板相交的應(yīng)力集中處，其值為σmax=33.44 MPa。

（2）垂直動(dòng)載工況：垂直載荷工況下底架的最大下?lián)袭a(chǎn)生在其中部，其值為Wmax=-1.30 mm;垂直載荷工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在中梁與牽引梁腹板相交的應(yīng)力集中處，其值為σmax=43.48 MPa。

（3）縱向壓縮工況：壓縮工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在車鉤座尾部，與蓋板相交的應(yīng)力集中處，其值為σmax=159.29 MPa。

（4）縱向拉伸工況：拉伸工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在車鉤座尾部，與蓋板相交的應(yīng)力集中處，其值為σmax=77.36 MPa。

（5）I位端救援工況：救援工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在Ⅰ端救援吊孔座內(nèi)側(cè)腹板，其值為σmax=69.16 MPa。

（6） II位端救援工況：救援工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在II端救援吊孔座內(nèi)側(cè)腹板處，其值為σmax=64.00 MPa。

（7）機(jī)車整體起吊工況：整體起吊工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在Ⅰ端救援吊孔座內(nèi)側(cè)腹板處，其值為σmax=83.81 MPa。

（8）架車工況：整體起吊工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在底架邊梁架車位的側(cè)面腹板與地面架車位相連處，其值為σmax=74.12 MPa。

（9）扭轉(zhuǎn)工況：整體起吊工況下底架的最大應(yīng)力產(chǎn)生在I位端旁承座翻邊處，其值為σmax=62.01MPa。

三、模態(tài)分析

為了避免整備狀態(tài)下重載電力機(jī)車車體的自振頻率與轉(zhuǎn)向架的固有頻率太接近而引起共振，需要對(duì)機(jī)車車體進(jìn)行模態(tài)分析。為充分考慮車體剛度，本節(jié)使用車體整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析。

（一）模態(tài)分析工況

表2列出了結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)計(jì)算工況及說明

（二）模態(tài)分析結(jié)果

表3為車體整備狀態(tài)較為明顯的振動(dòng)模態(tài)。

四、計(jì)算結(jié)果

（一）驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

（1）剛度、靜強(qiáng)度計(jì)算：車體在垂直動(dòng)載工況中，邊梁中點(diǎn)垂向撓度必須小于或等于定距的1/1000。強(qiáng)度評(píng)價(jià)根據(jù)EN12663-1：2010的規(guī)定校核，具體如表6所示。

（2）振動(dòng)模態(tài)頻率計(jì)算：通過車體模態(tài)分析說明車體在5至40赫茲頻率范圍內(nèi)車體振動(dòng)形式的特性，要求整備狀態(tài)車體一階彎曲自振頻率避開轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭和浮沉振動(dòng)頻率。

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