某型軌道車車體與車架焊接與螺栓聯(lián)接有限元計(jì)算對(duì)比

李勝男

（太原中車時(shí)代軌道工程機(jī)械有限公司北京分公司，北京100000）

1 概述

某軌道車的車體鋼結(jié)構(gòu)包括車架、司機(jī)室、工作室、動(dòng)力室等，其中車架與室體借助安裝圈梁靠螺栓聯(lián)接，為車架主要承載結(jié)構(gòu)，現(xiàn)借助有限元計(jì)算對(duì)車體與車架焊接與螺栓聯(lián)接兩種方案進(jìn)行對(duì)比，主要采用標(biāo)準(zhǔn)為《BS EN 12663-1：2010 鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》。

2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

某軌道車車架包括牽引梁、枕梁、左側(cè)梁、右側(cè)梁、動(dòng)力室機(jī)組梁、橫梁、工作室機(jī)組梁等，車體包括工作室與動(dòng)力室，司機(jī)室（考慮到司機(jī)室的減震降噪要求，司機(jī)室不考慮焊接結(jié)構(gòu)），安裝的主要設(shè)備（包括車上設(shè)備和車下設(shè)備）及其重量見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)備及其重量

某軌道車車架主要的材料及其材料屬性見(jiàn)表2。

表2 主要材料及其材料屬性

3 車架有限元模型

建立某軌道車車架有限元模型時(shí)，凡是對(duì)整體剛度及局部強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)，都予以考慮。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。某軌道車車架有限元模型中單元總數(shù)為520429，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為529886，有限元模型鋼結(jié)構(gòu)重量15.484，圖1 給出了該車車架的有限元模型。車上及車下較大設(shè)備的質(zhì)量施加于設(shè)備質(zhì)心處，設(shè)備質(zhì)心與車架通過(guò)beam188 單元進(jìn)行連接，其余重量均布在車架上平面，整車模型見(jiàn)圖2。圖中白色區(qū)域?yàn)檐嚿洗蟛考M。

4 計(jì)算載荷

載荷工況及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表3）。

5 車架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

5.1 剛度計(jì)算結(jié)果

在1.0 倍整備重量工況下，車架的垂向撓度見(jiàn)圖3；在1.3 倍整備重量工況下，車架的垂向撓度見(jiàn)圖4。

圖1 車體有限元模型

圖2 整車有限元模型

表3 車架靜強(qiáng)度計(jì)算工況

圖3

圖4

圖3、圖4 分析在1.0 倍整備重量工況下，車架的垂向撓度焊接方案是1.86mm，螺栓方案是1.9mm，兩個(gè)方案結(jié)果相似。

在1.3 倍整備重量工況下，車架的垂向撓度焊接方案是2.41mm，螺栓聯(lián)接方案是2.46mm，同樣兩個(gè)方案結(jié)果相似。

故兩種方案在剛度方面沒(méi)有明顯區(qū)別。

圖5 計(jì)算工況1

圖6 計(jì)算工況2

圖7 計(jì)算工況3

5.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖5 分析整備工況下，重量以重力加速度的形式施加，較大設(shè)備質(zhì)量施加于設(shè)備質(zhì)心處，其余重量均布在車架上平面（整車重量44t）。焊接方案最大應(yīng)力112MPa，螺栓連接方案最大應(yīng)力99MPa，僅此對(duì)比螺栓連接方案更優(yōu)。

圖6 分析最大工作載荷重量以1.3 倍重力加速度的形式施加，較大設(shè)備質(zhì)量施加于設(shè)備質(zhì)心處，其余重量均布在車架上平面（整車重量44t）。焊接方案最大應(yīng)力146MPa，螺栓連接方案最大應(yīng)力128MPa，僅此對(duì)比螺栓連接方案更優(yōu)。

圖7 分析拉伸工況下，縱向1500kN 拉伸力作用于Ⅱ位端車鉤前從板，設(shè)備重量以重力加速度的形式施加，較大設(shè)備質(zhì)量施加于設(shè)備質(zhì)心處，其余重量均布在車架上平面（整車重量44t）。焊接方案最大應(yīng)力263MPa，螺栓連接方案最大應(yīng)力298MPa，僅此對(duì)比焊接方案更優(yōu)。

圖8 分析壓縮工況下，縱向1500kN 壓縮力作用于Ⅱ位端車鉤后從板，設(shè)備重量以重力加速度的形式施加，較大設(shè)備質(zhì)量施加于設(shè)備質(zhì)心處，其余重量均布在車架上平面（整車重量44t）。焊接方案最大應(yīng)力261MPa，螺栓連接方案最大應(yīng)力247MPa，僅此對(duì)比焊接方案更優(yōu)。

圖8 計(jì)算工況4

表4 各計(jì)算工況作用下車架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果匯總 應(yīng)力單位：MPa

6 結(jié)論

6.1 剛度

兩種連接方案下，在整備工況與最大工作載荷工況下最大撓度沒(méi)有太大差異。

6.2 強(qiáng)度

在各計(jì)算工況作用下，車架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

6.3 對(duì)比

車體與車架焊接與螺栓聯(lián)接兩種方案下，剛度與強(qiáng)度有些許的差異，但是都在安全范圍內(nèi)。如果為了檢修便利與模塊化設(shè)計(jì)，螺栓聯(lián)接會(huì)更優(yōu)。如果特殊車型要求結(jié)構(gòu)能夠有較強(qiáng)的抵抗縱向力的能力，建議使用焊接結(jié)構(gòu)。