某鐵路車輛車架結(jié)構(gòu)設(shè)計及靜強度計算與試驗

仝曉田

摘 要

根據(jù)項目組要求，保證整機功能滿足要求，在設(shè)計空間受限的情況下，在有限的空間內(nèi)對某鐵路車輛車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用CAE手段對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析計算結(jié)果與靜強度試驗結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：車架的靜強度和剛度均滿足設(shè)計要求，對于同一測試點其仿真分析的應(yīng)力值與試驗得到的應(yīng)力值誤差基本在10%以內(nèi)，剛度變形值基本沒有誤差，結(jié)果一致性較好，該設(shè)計方法為今后的車架及大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞

車架;結(jié)構(gòu)設(shè)計;剛度;強度;CAE;APDL

中圖分類號： U469.53 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.033

0 引言

鐵路運輸是我國的主要運輸方式，在國民經(jīng)濟中起著非常重要的作用[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，越來越多的人工勞動被機械智能所取代，既減少了勞動力又大大地提高了生產(chǎn)效率。

對于整機來說，車架是整機結(jié)構(gòu)中重要的承載部件，整機其他零部件主要通過焊接、螺栓連接、鉚接等方式固定在車架上。車架的構(gòu)架是由大量的型材和鋼板焊接而成[2]，其結(jié)構(gòu)的強度、剛度是否滿足要求直接決定了靜強度試驗的一次性通過率，節(jié)約時間和資金成本。車架作為重要的承載傳力部件，其設(shè)計時受工作裝置、芯盤距及軸重的限制，局部幾何形狀比較復(fù)雜，設(shè)計難度較大。有必要利用先進(jìn)的計算手段對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析校核。

本文按照總體對整機的基本布局進(jìn)行車架的方案結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用APDL參數(shù)化建模的有限元方法計進(jìn)行建模，經(jīng)過反復(fù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終得出滿足TB/T1335-1996《鐵路車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》以及GB/T25337-2010《鐵路大型養(yǎng)路機械通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求的構(gòu)架。

1 車架方案結(jié)構(gòu)設(shè)計

車架長度為28240mm，寬度為3040mm，屬于超長構(gòu)架，主要由車架前部，車架中部，左、右主焊接H型梁，前、后心盤座，橫梁、連接梁及一些輔助元件組成，矩形管厚度有8mm、10mm、12.5mm和16mm四種類型。整車剛度由兩側(cè)主焊接H型梁承擔(dān)，根據(jù)整機布局的需求，在相應(yīng)的位置設(shè)計不同的承載結(jié)構(gòu)，車架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車架心盤距為23000mm，構(gòu)架主結(jié)構(gòu)材料均為Q420D，個別材料為Q355D，材料參數(shù)如表1所示。

2 車架結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

2.1 車架有限元模型

利用APDL參數(shù)化建模的有限元方法計進(jìn)行建模。對車架結(jié)構(gòu)采用帶節(jié)點偏置功能的SHELL181單元進(jìn)行離散，控制網(wǎng)格大小為30mm，得到的有限元模型[2]。

有限元模型節(jié)點總數(shù)為185 166，單元總數(shù)為186 655，單元質(zhì)量均值指標(biāo)為0.99，網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)良[3]。單元多為平面四邊形單元，在進(jìn)行殼單元偏置后形成八節(jié)點六面體單元，根據(jù)彈性力學(xué)的物理方程，單元應(yīng)力計算如公式（1）所示[11]。

2.2 計算工況及加載

根據(jù)《TBT 1335-1996 鐵道車輛強度設(shè)計及鑒定規(guī)范》[12]，最主要的測試試驗為垂向剛度試驗，和縱向拉伸、壓縮試驗。因此本次計算針對以下幾種工況進(jìn)行計算，具體如表2所示。

其中，車架的垂向剛度計算要滿足標(biāo)準(zhǔn)[12]中的公式：

式中：f為最大撓度，也即是車架的最大垂向變型;L為車輛的心盤定距。某鐵路車輛心盤定距為23000mm，因此其垂向最大變形不能大于25.5mm。車架結(jié)構(gòu)為焊接的鋼結(jié)構(gòu)，用第四強度理論[13]（Von Mises準(zhǔn)則）建立強度條件為：

計算得到的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)超過σe，車架材料的許用應(yīng)力為262MPa，因此，計算應(yīng)力的最大值不能大于262MPa。

車架上部各個設(shè)備質(zhì)量用mass質(zhì)量單元來模擬。

垂向空載時，載荷即為車架的自重。垂向靜載時，載荷為車架的整備質(zhì)量，即車架的自重與車架上所有設(shè)備重量之和。縱向拉伸時，載荷由拉伸載荷和垂向動載荷共同構(gòu)成，縱向壓縮時與此相似，載荷由壓縮載荷和垂向動載荷共同構(gòu)成。垂向動載荷等于垂向靜載荷與垂向動載荷系數(shù)的乘積，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[12]，垂向動載荷系數(shù)的計算公式為：

式中：Kdv是垂向動載荷系數(shù);fj為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，取65mm;v是車輛的運行速度，取120km/h;b為系數(shù)，取值為0.05;d為系數(shù)，取值為1.65;a為系數(shù)，簧上部分取值為1.50;c為系數(shù)，簧上部分取值為0.427。

可以計算出垂向動載荷系數(shù)為0.203。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[12]，縱向拉伸的力為980KN，縱向的壓力為1180KN，考慮到列車運行的實際情況[4]，需要在垂向靜載荷的基礎(chǔ)上再加10%以代替車體受到的側(cè)向力。

以車架的長度方向為X向，寬度方向為Y向，高度方向為Z向。因為SHELL181殼單元是有2個旋轉(zhuǎn)自由度的，所以可以在芯盤處的中心節(jié)點直接約束UY，UZ，ROTX，為了避免剛體位移，在其中一個芯盤處的中心節(jié)點約束UX，兩個芯盤處都釋放ROTY，在心盤區(qū)域范圍內(nèi)，車架上對應(yīng)的位置實際上是不受力或受力極小的，因此可以將此區(qū)域處理為剛性區(qū)域，以避免該位置的應(yīng)力集中問題[6]。

3 車架靜強度試驗

某鐵路車輛靜強度實驗由鐵道科學(xué)院主持，在中國鐵建高新裝備股份有限公司完成，根據(jù)車架的實際工況與受力情況分別進(jìn)行加載實驗[7]。

4 試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比分析

4.1 剛度情況

在垂向空載和垂向靜載時需要計算出車架最大撓度值，表3列出了有限元計算結(jié)果和試驗得到的兩種工況下的最大撓度值。

從表3可以看出，垂向空載和垂向靜載時車架的仿真和試驗最大撓度值都低于25.5mm，且與試驗結(jié)果吻合度較高，車架的剛度是符合設(shè)計要求的。如圖6所示，為垂向靜載下有限元計算的車架垂向變形分布，從圖上可以看出車架的最大垂向變形在中部，最大變形值-18.89mm，負(fù)號表示變形方向向下，因為動力車的主要工作部件都在中間部位，載荷較大，這也是與實際相符的。

4.2 強度情況

縱向拉伸和縱向壓縮時車架主結(jié)構(gòu)的強度應(yīng)力值應(yīng)小于262MPa，如表4所示，列出了測試點有限元仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的應(yīng)力值。

由表4可得，在拉伸工況下，車架同一點的最大計算應(yīng)力為168.2MPa，最大試驗應(yīng)力為162.5MPa，兩者誤差為3.1%，應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力216MPa，結(jié)果表明，在拉伸組合工況下車架強度是符合設(shè)計要求的。如圖7所示為拉伸工況下的應(yīng)力分布圖，從圖上可以看出車架的應(yīng)力主要分布。

縱向壓縮時，車架的受力情況是在考慮垂向動載前提下兩端加載1180KN，如表5所示是壓縮工況下測試點有限元仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的應(yīng)力值。

從表5中的對比結(jié)果中可見，壓縮工況的計算結(jié)果表明強度同樣滿足設(shè)計要求，測試點最大計算應(yīng)力為206.6MPa，最大試驗應(yīng)力為198.8MPa，應(yīng)力值在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。表中應(yīng)力偏差較大的地方在開孔尖角處，模型做了簡化，存在應(yīng)力集中的情況。如圖8是壓縮工況的應(yīng)力分布圖，構(gòu)架比較復(fù)雜[5]，某些局部受力情況較為復(fù)雜，計算應(yīng)力與實際應(yīng)力相對差值較大。車架中間部位應(yīng)力值都在合理的范圍之內(nèi)，且應(yīng)力分布較為均勻。

5 結(jié)論

本文從最初的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，利用APDL參數(shù)化語言建模，便于及時修正，效率較高，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化計算，最終得出某鐵路車輛車架結(jié)構(gòu)，通過有限元計算，從計算結(jié)果看出，車架的強度和剛度都滿足設(shè)計要求。與靜強度試驗對比表明，計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近，特別是大應(yīng)力點一致性較好，誤差較小，說明建模方法合理，約束符合實際工況，計算比較準(zhǔn)確。同時該結(jié)構(gòu)設(shè)計方法為今后的新產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計提供了有效依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]姜雷.軌檢車車架強度的有限元分析[J].鐵道建筑，2009（1）：12-14.

[2]劉然.大型養(yǎng)路機車車架鋼結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計[J].裝備制造技術(shù)，2014（6）：12- 14.

[3]楊文志，閔全金.某礦用車后車架強度及模態(tài)分析[J].機械工程與自動化，2018（4）：87-88，90.

[4]趙磊.內(nèi)燃機車車體結(jié)構(gòu)的強度與疲勞分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2015.

[5]宛銀生，周偉，姜再友，等.基于Hyper Works的副車架強度及模態(tài)分析[J].汽車工程師，2017（3）：16-18.

[6]王曉東，茍國慶.軌道除雪車車架靜強度分析及試驗[J].鐵道機車與動車，2014（02）：28-30.

[7]李婭娜，張宇婷，韓肖.某地鐵車體靜強度分析及試驗驗證[J].計算機輔助工程，2016，25（02）：14-18.

[8]吳丹，李晉武.高速轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度及模態(tài)分析研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2013，32（1）：161-163.

[9]方凱.鐵道車輛車鉤疲勞強度分析及試驗臺設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[10]劉賀.重型軌道車體強度分析及底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].北京：北京交通大學(xué)，2017.

[11]李世蕓，肖正明.彈性力學(xué)及有限元[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[12]TB/T1335-1996.鐵道車輛強度設(shè)計及鑒定規(guī)范[S].