基于ANSYS分析的漏斗車(chē)側(cè)支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

馮創(chuàng)友 劉兵 楊艷萍 黃盼 江明星

摘要：本文針對(duì)出口阿根廷K75-ARG型漏斗車(chē)端部側(cè)支撐組成在首次試驗(yàn)的頂車(chē)工況時(shí)出現(xiàn)大變形問(wèn)題，分析變形原因，并通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)端部側(cè)支撐組成在頂車(chē)工況下進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，提出合理的解決方案，并通過(guò)第三方試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：漏斗車(chē);穩(wěn)定性;分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U272.6+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0049-02

0? 引言

中車(chē)眉山車(chē)輛有限公司于2015年為阿根廷鐵路設(shè)計(jì)制造了K75-ARG型漏斗車(chē)（以下簡(jiǎn)稱“漏斗車(chē)”），該車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和剛度滿足TB/T 1335-1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)鑒定規(guī)范》。樣車(chē)首次靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，頂車(chē)工況出現(xiàn)了端墻兩側(cè)的側(cè)支撐組成變形較大問(wèn)題（如圖1所示），該區(qū)域的最大等效應(yīng)力較小，是典型的小應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生大變形現(xiàn)象，即局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了失穩(wěn)破壞。本文利用大型有限元分析軟件的屈曲分析模塊，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行仿真再現(xiàn)，并給出了問(wèn)題的解決措施。

1? 屈曲分析概述

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)。包括線性屈曲分析和非線性屈曲分析，線性屈曲分析又稱為特征值屈曲分析。

線性屈曲分析用于預(yù)測(cè)一個(gè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度（分叉點(diǎn)），該方法相當(dāng)于教科書(shū)里的彈性屈曲分析方法。但是，初始缺陷和非線性使得很多實(shí)際結(jié)構(gòu)都不是在其理論彈性屈曲強(qiáng)度處發(fā)生屈曲。因此，特征值屈曲分析經(jīng)常得出非保守結(jié)果，通常不能用于實(shí)際的工程分析。

非線性屈曲分析是一種典型而且重要的幾何非線性分析，常用于對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或計(jì)算。模型中可以包括諸如初始塑性、缺陷、大變形響應(yīng)等特征，該方法用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術(shù)來(lái)求得使結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷。

2? 仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 原方案有限元分析

該漏斗車(chē)車(chē)體為鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型如圖2所示。頂車(chē)工況下的屈曲分析，作用在模型上的載荷有車(chē)體自重、載重75t、頂車(chē)載荷。在線性屈曲分析過(guò)程中，如某些荷載是常數(shù)（如自重荷載），而其他荷載是可變的（如外荷載），則必須要確保從常數(shù)荷載得到的剛度，在特征值求解時(shí)不被縮放。為達(dá)到這一目的的一個(gè)策略，采用在特征解上迭代，調(diào)整可變荷載，直到特征值變成1.0（或接近1.0，即允許一些收斂容差），用這種迭代方法來(lái)得到最終外載荷就是臨界屈曲載荷。原方案線性屈曲分析時(shí)，逐步調(diào)節(jié)施加的頂車(chē)載荷，使特征值接近1（如圖2所示），計(jì)算出臨界載荷為33.6t，小于試驗(yàn)時(shí)頂車(chē)墊板上施加的43.14t。

2.2 原因分析及解決措施

原方案考慮到標(biāo)記涂打的位置以及牽引梁段的風(fēng)制動(dòng)裝置、卸貨控制系統(tǒng)的布置空間，將端墻設(shè)計(jì)成新型的板柱-立板結(jié)構(gòu)，側(cè)支撐組成由側(cè)立板（5mm）和封板組成T型結(jié)構(gòu)，側(cè)立板內(nèi)側(cè)面焊有封閉三角形補(bǔ)強(qiáng)邊框，側(cè)支撐組成僅靠幾條角接焊縫與車(chē)體焊接。頂車(chē)工況試驗(yàn)時(shí)，側(cè)支撐組成直接承受來(lái)自頂車(chē)墊板試驗(yàn)載荷，將形成兩端受壓的薄板結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。加強(qiáng)方案在兩側(cè)的側(cè)支撐處組焊一根連接端橫帶與枕梁上蓋板的斜撐（如圖3所示），使頂車(chē)載荷通過(guò)新增的斜撐傳遞到端橫帶，進(jìn)而整個(gè)端墻結(jié)構(gòu)承受頂車(chē)載荷作用。

2.3 加強(qiáng)方案有限元分析

加強(qiáng)方案線性屈曲分析時(shí)，計(jì)算得出加強(qiáng)方案屈曲臨界載荷為51.2t，對(duì)加強(qiáng)方案進(jìn)行了非線性屈曲分析。采用弧長(zhǎng)法，施加線性屈曲分析的臨界載荷作為給定載荷，并繪制出屈曲點(diǎn)沿車(chē)體橫向的變形曲線（如圖4所示），計(jì)算出臨界載荷為46.6t，大于試驗(yàn)載荷43.15t。

3? 試驗(yàn)驗(yàn)證

2015年8月，第三方試驗(yàn)機(jī)構(gòu)（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家試驗(yàn)室）在中車(chē)眉山車(chē)輛有限公司產(chǎn)品性能實(shí)驗(yàn)室完成了該漏斗車(chē)車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)。所有測(cè)點(diǎn)的頂車(chē)合成應(yīng)力均小于所用材料的屈服極限，頂車(chē)位及其附近結(jié)構(gòu)無(wú)永久變形，頂車(chē)工況順利通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

4? 結(jié)論

本文以出口阿根廷K75-ARG型漏斗車(chē)靜強(qiáng)度試驗(yàn)中出現(xiàn)的側(cè)支撐外脹現(xiàn)象為研究對(duì)象，分析了出現(xiàn)外脹的原因。采用ANSYS軟件完成了頂車(chē)工況的線性和非線性屈曲分析，提出了合理的解決失穩(wěn)問(wèn)題的技術(shù)措施，算結(jié)果表明：加強(qiáng)方案的側(cè)支撐臨界屈曲載荷遠(yuǎn)大于頂車(chē)工況的頂車(chē)載荷。第三方試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)措施圓滿的解決了側(cè)支撐組成的失穩(wěn)失效問(wèn)題。通過(guò)本文研究表明，有大面積薄板結(jié)構(gòu)的車(chē)體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的各工況線性屈曲分析，對(duì)于其臨界載荷值接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)值時(shí)（約為1.2倍），應(yīng)進(jìn)行更為復(fù)雜的非線性屈曲分析，以便在有限的研發(fā)周期里確保結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。

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