機(jī)車車體強(qiáng)度計(jì)算中載重約束處理分析

孫健

摘 要：在處理和分析機(jī)車車體強(qiáng)度計(jì)算載重約束的工作中，運(yùn)用傳統(tǒng)的計(jì)算方法有一定局限性，需要對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算方法加以改進(jìn)，基于此，本文分析機(jī)車車體強(qiáng)度計(jì)算中載重約束處理相關(guān)問(wèn)題，從載荷工況、有限元與仿真、垂向動(dòng)載荷、靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)四方面入手進(jìn)行總結(jié)，以供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)車載荷;強(qiáng)度計(jì)算;垂向動(dòng)載荷

引言：在處理機(jī)車車體強(qiáng)度載重約束相關(guān)問(wèn)題時(shí)，會(huì)采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)上的處理方法，保證載荷能均勻分布在整個(gè)地面上，事實(shí)上這種計(jì)算方法嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)并不合理，主要是因?yàn)榘惭b設(shè)備不是都處于底架表面。需嘗試運(yùn)用新的處理方法，對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算方法加以優(yōu)化。

一、機(jī)車載荷、工況多種多樣

機(jī)車在使用的過(guò)程中所產(chǎn)生的載荷和工況多種多樣，其中有8個(gè)比較重要。分別是靜載荷、壓縮載荷、牽引座考核、運(yùn)行牽引、整體起吊、救援的兩種情況、扭轉(zhuǎn)。在建立汽車結(jié)構(gòu)件三維數(shù)字化模型的工作中，要有標(biāo)準(zhǔn)的汽車設(shè)計(jì)規(guī)范為指導(dǎo)，會(huì)用到汽車構(gòu)造、設(shè)計(jì)、制造工藝學(xué)有關(guān)知識(shí)。就三維數(shù)字化模型和有限元分析的幾何模型而言，兩者之間有著不同的側(cè)重點(diǎn)，相互之間有一定區(qū)別，同時(shí)也存在著某種聯(lián)系。其中三維數(shù)字化模型的側(cè)重點(diǎn)是可制造性，要保證每個(gè)結(jié)構(gòu)都有比較清楚的定義，而有限元分析的幾何模型則更看重結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，更為關(guān)注一些會(huì)對(duì)安全產(chǎn)生影響的位置[1]。比如汽車驅(qū)動(dòng)橋殼，其組成有半軸套管、橋殼本體、后橋蓋總成、后制動(dòng)底板固定法蘭、鋼板彈簧固定座總成。簡(jiǎn)化3D實(shí)體模型，并將模型信息導(dǎo)入到ANSYSWorkbench，之后才能進(jìn)行有限元分析。汽車零件數(shù)以萬(wàn)計(jì)，這些構(gòu)件的形狀各不相同，完成連接和支承也有多種多樣的形式，受力載荷和受力傳遞也有多種形式。建立有限元可進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，也能進(jìn)行靜態(tài)分析，但是建立模型的過(guò)程是非常復(fù)雜的。

二、機(jī)車車體強(qiáng)度計(jì)算有限元與仿真

分析載重約束處理，將整車車體作為研究對(duì)象，并進(jìn)行有限元分析，模擬的對(duì)象是某型吊車內(nèi)燃機(jī)車車體結(jié)構(gòu)。建立有限元模型，會(huì)忽略一些因素，這些因素會(huì)對(duì)加工產(chǎn)生一定的影響。在車體結(jié)構(gòu)中，只有緩沖座鑄鋼件采用的是10節(jié)點(diǎn)的四面體單元，其他的離散都用到了四邊形板單元。在模擬焊縫時(shí)，是按照焊縫處節(jié)點(diǎn)重合的形式進(jìn)行。在確定設(shè)備重量時(shí)，要依據(jù)重心和安裝座的位置進(jìn)行，從而科學(xué)設(shè)置每個(gè)安裝座位置的受力情況，運(yùn)用質(zhì)量單元的形式，并設(shè)置在相互對(duì)應(yīng)的質(zhì)量節(jié)點(diǎn)上，在此期間不會(huì)考慮到結(jié)構(gòu)件的具體幾何形狀。該有限力學(xué)模型在離散之后，單元數(shù)量達(dá)240959個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為346451個(gè)。在設(shè)計(jì)機(jī)車車體的工作中，除了要滿足強(qiáng)度和剛度的要求外，進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)也很有必要。研究工程力學(xué)和汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)，能保證汽車結(jié)構(gòu)具有合理的強(qiáng)度和剛度，在此基礎(chǔ)上科學(xué)分析汽車所受載荷。在計(jì)算和評(píng)價(jià)機(jī)車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的工作中，會(huì)用到FEM有關(guān)知識(shí)。機(jī)車結(jié)構(gòu)所受載荷是非常復(fù)雜的，分析汽車結(jié)構(gòu)所受載荷要做到全面客觀，建立四輪汽車模型，建立汽車坐標(biāo)系，探究機(jī)車的彎曲情況，有些載荷是由部件質(zhì)量引起的，主要是作用在垂直的平面上，分布于汽車車架方向上，會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生彎矩。

三、分析機(jī)車動(dòng)作所產(chǎn)生的垂向動(dòng)載荷

機(jī)車振動(dòng)會(huì)引起附加載荷，在研究附加載荷時(shí)，將垂向動(dòng)載荷的系數(shù)設(shè)置為0.3，垂向動(dòng)載荷會(huì)與靜載荷同時(shí)作用在車體上。機(jī)車在制動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生縱向載荷，主要作用在輪胎與地面的接觸點(diǎn)上，也就是地面制動(dòng)力和慣性力。在分析機(jī)車分析機(jī)車載重約束處理時(shí)，還需要分析汽車的扭轉(zhuǎn)情況。扭轉(zhuǎn)主要是由路面不平、不對(duì)稱支承所產(chǎn)生。此時(shí)作用在同一車軸兩車輪且沿豎直方向上的力就是不相等的，機(jī)車就會(huì)有沿縱向X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。比如某實(shí)驗(yàn)中，機(jī)車所產(chǎn)生的縱向壓縮力是在車鉤的中心高度上，大小為1960KN，主要是作用在后從板座上?？v向拉伸力也是一種縱向水平載荷，在某次實(shí)驗(yàn)中縱向拉伸力的大小時(shí)1470KN，受力主要是前從板座[2]。牽引力較為集中，主要的受力部位是牽引座，在某次實(shí)驗(yàn)中，起動(dòng)牽引力的大小是480.9KN，持續(xù)牽引力的大小是341.7KN。在機(jī)車行駛的過(guò)程中，始終有重力的存在，因此需要同時(shí)考慮到彎矩和扭矩。

四、機(jī)車靜強(qiáng)度的評(píng)價(jià)

運(yùn)用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)車的靜強(qiáng)度，此等效應(yīng)力不應(yīng)該超過(guò)相應(yīng)計(jì)算工況的許用應(yīng)力。在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，材料不發(fā)生破壞，就要滿足相應(yīng)的條件。計(jì)算得到相應(yīng)的結(jié)果，并比較結(jié)果。不管采取哪種處理方式，都要保證能夠滿足相應(yīng)的強(qiáng)度要求。處于壓縮工況和救援工況下，所選材料的許用應(yīng)力應(yīng)該接近最大應(yīng)力，從實(shí)際情況來(lái)看，出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置也比較固定。運(yùn)用這兩種處理方式，各個(gè)工況節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力差值較小，差值為0.5%，大約為0.302MPa，對(duì)此應(yīng)使用較大的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，但是也存在著相反的工況。在評(píng)定車體強(qiáng)度時(shí)，需要加大材料的密度，來(lái)有效處理機(jī)車載重，采取這種方式，比均布載荷處理更簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)布設(shè)了兩種救援工況、垂向靜載工況、運(yùn)行牽引工況，會(huì)發(fā)生車體底架最大變形和中梁變形的情況。就變形值而言，除了牽引工況外，其他三種工況，變形值比較小，相互之間的差值不到0.1%。而中梁的變形相差值則比較大，但數(shù)值也不會(huì)超過(guò)0.5%。

五、總結(jié)

綜上所述，實(shí)現(xiàn)機(jī)車車體強(qiáng)度計(jì)算中載重約束的科學(xué)處理，要意識(shí)到機(jī)車載荷、工況多種多樣，做好機(jī)車車體強(qiáng)度計(jì)算有限元與仿真工作，采取規(guī)范的步驟分析機(jī)車動(dòng)作所產(chǎn)生的垂向動(dòng)載荷，合理評(píng)價(jià)機(jī)車靜強(qiáng)度。在日后還需要采取更多新的載重處理方法，更好接近實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]金希紅，曾燕軍，王泰.基于線路實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)力譜的重載電力機(jī)車車體疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2020，34（01）：44-50.

[2]寇懷東.電力機(jī)車車體耐沖擊性情況分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（29）：69-70.