郭麗娜 張 歷 秦文蔚

(1.上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240；2.中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

SDD7型機車車體的優(yōu)化設計與試驗研究

郭麗娜1,2張 歷2秦文蔚2

(1.上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240；2.中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

介紹了SDD7型機車車體的優(yōu)化改進設計，利用有限元仿真工具對車體進行建模，計算分析車體的載荷、應力、變形、撓度等，依據(jù)計算結果提出優(yōu)化改進設計方案并通過了試驗驗證。

機車車體； 有限元；仿真計算；應力值

近幾年國外對內燃機車的需求旺盛，中車戚墅堰機車有限公司(以下簡稱戚墅堰公司)出口國外的內燃機車呈現(xiàn)逐年增加的局面，但要求也越來越高，主要體現(xiàn)在機車的技術性能及可靠性方面，因此本文主要研究如何優(yōu)化機車車體的設計。

1 車體有限元建模

定義優(yōu)化前的車體設計為SDD7o (SDD7 Original Addition)，優(yōu)化后的車體設計為SDD7。本次建模計算以待優(yōu)化車型SDD7o機車車體為對象，圖1所示為SDD7o型機車車體幾何模型，參照TB/T 2541—1995《內燃、電力機車車體靜強度試驗方法》，通過有限元分析得到機車在3種不同工況下的應力分布及形變。

工況及載荷：(1)垂向靜載荷為559 kN；(2)縱向壓縮載荷為2 000 kN；(3)救援載荷為(430+186.2) kN。材料：Q345E鋼，彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服強度σs=345 MPa；垂直載荷工況下的許用應力：σ1=0.6σs=207 MPa；其他工況下的許用應力：σ2=σs=345 MPa。

圖2為SDD7型機車車體的有限元模型，采用殼單元與梁單元劃分，共591 439個單元，1 311 830個節(jié)點。

圖1 SDD7o型機車車體幾何模型

圖2 SDD7型機車車體有限元模型

2 結構優(yōu)化設計與計算

車體結構優(yōu)化方法是拓撲優(yōu)化，在SDD7型機車車體設計中，設計人員通過拓撲優(yōu)化分析，全面掌握產品的結構和功能特性，對整體和局部具體結構進行設計,車體司機室前端設置防撞梁，司機室側窗采用水平移動開啟結構，間壁采用雙側結構以提高機車的安全性及隔音效果。車架側梁采用420 mm×126 mm×10 mm的箱形梁結構，側梁上平面高出車架上平面40 mm，以保證側梁與側壁連接處不積水。側壁為3 mm耐候鋼材質，桁架結構，熱張拉工藝組裝。

車體結構的優(yōu)化設計從前面SDD7o型機車車體靜強度仿真中的結果進行推算比較簡便可信，前期SDD7o型機車車體中部集中載荷為60 t，支承跨度為12 100 mm，中部最大撓度為5.95 mm。優(yōu)化后的SDD7型機車與之相比，材料特性升級(彈性模量E=206 800 MPa；泊松比為0.29)，將前旁承的中點和后旁承的中點作為簡支梁的支點,做簡支約束；對整個側壁約束其橫向位移,即只允許面內位移。載荷為機車中部的集中載重與機車中部的自重之和，并乘以動荷系數(shù)1.3后,加在側梁的中部。其余載荷忽略不計，并認為該載荷所產生的撓度即為車體的撓度。

中部集中載荷P將減少21 t，為前期SDD7o型機車設計載荷的65% ，支承跨度L與先前SDD7o型車體設計比較為11 080/12 100=0.916；通過利用對側壁高度的調整使整體慣性矩J減少為前期SDD7o型機車的85.5%，兩車的撓度比值應為：

=0.65×0.9163×1.170= 0.584

SDD7o型機車中部的最大撓度為5.95 mm，交流傳動機車的撓度f(SDD7)=f(SDD7o)×0.584=3.475 mm。通過計算得出SDD7型機車的撓度范圍應在3～5 mm之間。

3 計算結果及比較

采用I-DEAS 6.0軟件對SDD7o型機車進行計算的結果與靜強度試驗的結果比較,變形趨勢合理,數(shù)據(jù)結果接近,認為該計算結果可信。從計算結果看，SDD7型機車的強度和剛度都比SDD7o型機車的好，如表1所示。

表1 計算結果比較

4 結構優(yōu)化后的分析結果

優(yōu)化后SDD7型機車在垂直工況下的最大應力為108 MPa，動力室區(qū)域許用應力為207 MPa，最大變形為7 mm；壓縮工況下的最大應力為238 MPa，司機室前端下部許用應力為345 MPa，最大變形為24 mm；救援工況下的最大應力為53 MPa，加載轉向架重量的一端許用壓力為345 MPa，最大變形為8 mm。即3種工況下車體強度均滿足要求。

5 試驗結果的分析處理

機車車體經設計制造完成后，戚墅堰公司委托鐵路總公司產品質量監(jiān)督檢驗中心(以下簡稱鐵路總公司質檢中心)機車車輛檢驗站參照TB/T 2541—2010《機車車體靜強度試驗規(guī)范》,對SDD7型內燃機車車體鋼結構進行垂向載荷、縱向壓縮載荷、扭轉載荷、救援載荷、縱向拉伸載荷和司機室安全壓力載荷的靜強度試驗如圖3所示。

根據(jù)SDD7型機車設計，作出試驗測點布置方案，采用激光跟蹤儀進行位移測量，位移測點布置位置由鐵路總公司質量檢驗中心和戚墅堰公司協(xié)商確定，應力測點數(shù)量共有102個，其中三向應力測點12個，單向應力測點90個(見圖4)。

根據(jù)上述布置測點測得試驗結果后進行如下分析計算：

由于應力測點所測得的數(shù)據(jù)是應變值，根據(jù)彈性力學的虎克定律計算求得應力。

對于單向應變片測點，其應力δ按下式計算：

δ=E·ε(ε為各測點值)

對于三向直角應變花測點可由其3個應變值按下式求出主應力值:

圖3 車體試驗

圖4 試驗測點布置示意圖

式中：δmax、δmin分別為主應力最大值、最小值，MPa；μ為泊松比，一般取μ=0.3;E為彈性模量，MPa;ε0為0°方向應變片的應變值；ε45為與ε0方向成45°的應變片的應變值，ε90為與ε0方向成90°的應變片的應變值。

應變片應力值取為：δ*=δmax-δmin

垂向載荷試驗和扭轉載荷試驗的評定標準: 單向應變片應力值小于[δ]1，三向應變片應力值小于[δ]1，[δ]1表示材料許用應力。

縱向壓縮載荷試驗、縱向拉伸載荷試驗、司機室安全壓力試驗、救援強度試驗(單頭起吊)：單向應變片應力值小于δs,三向應變片應力值小于δs,δs表示材料的屈服極限。

車體材料為Q345E，許用應力[δ]1為207MPa，屈服極限δs為345MPa。

6 試驗結論

對鐵路總公司質檢中心機車車輛檢驗站的試驗數(shù)據(jù)進行了分析，檢驗項目縱向拉伸試驗、縱向壓縮試驗、救援試驗、司機室安全壓力試驗工況中各應力測點的應力值均小于其位置的材料屈服極限，檢驗項目垂直試驗、扭轉試驗工況中各應力測點的應力值均小于其位置的許用應力，車體鋼結構的靜強度滿足TB/T2541—2010《機車車體靜強度試驗規(guī)范》和《××××型內燃機車車體靜強度試驗大綱》的要求。

7 結語

優(yōu)化改進后的機車車體完全能夠滿足使用要求，為戚墅堰公司的機車出口業(yè)務提供了技術保障，具有一定的運用價值。

目前，改進設計后的車體已經批量制造運用，產品性能穩(wěn)定，運用效果良好，客戶滿意?！?/p>

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)02-0004-03

2015-07-27

作者信息：郭麗娜(1984-)，女，大學本科，工程師，從事價格管理工作。

U260.32

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