魏鴻亮，方 吉，李季濤，兆文忠

(1.中國(guó)北車集團(tuán) 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000;2.大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

特大鐵路貨車是鐵路車輛工程中極為特殊的一類產(chǎn)品，是鐵路貨車中的“結(jié)構(gòu)巨無霸”，它不僅用途特殊、結(jié)構(gòu)特殊，更為重要的是它的結(jié)構(gòu)服役安全性級(jí)別要求也最為特殊，每次服役過程中，必須布置許多傳感器，安全狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，其每次“前呼后擁、專列伺候”的幾百噸重的特大貨物的行進(jìn)場(chǎng)景令人激動(dòng)，但是，一旦出現(xiàn)安全事故，除了經(jīng)濟(jì)損失慘重外，對(duì)鐵路線路上正常運(yùn)輸?shù)拇驌粢矊⑹浅林氐?

針對(duì)特大鐵路貨車結(jié)構(gòu)安全性的特殊重要性，產(chǎn)品的唯一性，譜系化的系列性，試驗(yàn)驗(yàn)證的滯后性，為特大鐵路貨車譜系化結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個(gè)服役安全性數(shù)值校驗(yàn)平臺(tái)，將一切結(jié)構(gòu)安全隱患在設(shè)計(jì)階段源頭鏟除，就顯得尤其必要［1-3］.

國(guó)內(nèi)的特大鐵路貨車的結(jié)構(gòu)譜系包括載重可達(dá)370 t的凹底平車系列;載重長(zhǎng)度可達(dá)100 m的特大平車系列系列;載重可達(dá)450t以上的落下孔車系列;載重長(zhǎng)度可達(dá)100 m的雙聯(lián)平車系列，以及載重可達(dá)550 t的鉗夾車系列［4-5］.

從結(jié)構(gòu)的譜系化角度看，雖然特大貨車系列不同，但是它們既有共性，也有個(gè)性，例如:轉(zhuǎn)向架、軸系、小底架、大底架，球形心盤等，是譜系化的共性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);而不同的貨物裝載結(jié)構(gòu)方式，則定義了它們系列上的屬性差異，這就為“積木式”平臺(tái)的搭建創(chuàng)造了客觀條件.從仿真分析的角度看，“積木式”平臺(tái)結(jié)構(gòu)子塊庫(kù)中，強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、屈曲穩(wěn)定性的仿真流程是一樣的，乃至整車的動(dòng)力學(xué)性能仿真的流程也是一樣的，這樣，如果我們能針對(duì)特大貨車結(jié)構(gòu)的上述譜系化特點(diǎn)，構(gòu)造在一個(gè)結(jié)構(gòu)服役性能數(shù)值仿真校驗(yàn)平臺(tái)，且在這個(gè)平臺(tái)上讓可繼承性的建模經(jīng)驗(yàn)可以共享，這個(gè)工作是有意義的.

1 特大貨車結(jié)構(gòu)譜系化的設(shè)計(jì)特征

圖1是根據(jù)特大貨車譜系化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給出的拓?fù)涫疽?根據(jù)這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以將特大貨車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分解成轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)系列、小底架設(shè)計(jì)系列、大底架設(shè)計(jì)系列、導(dǎo)向梁設(shè)計(jì)系列，以及承載框架設(shè)計(jì)系列.

當(dāng)根據(jù)市場(chǎng)需要的運(yùn)輸貨物的具體要求來開發(fā)某一個(gè)品種的特大貨車時(shí)，就可以采用“搭積木”的方式直接從全部子系列結(jié)構(gòu)中選取成熟結(jié)構(gòu)模塊，通過一定的優(yōu)化組合，搭建出一個(gè)具體的 新型特大貨車.

圖1 特大貨車結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

1.1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)系列

根據(jù)特大貨車的結(jié)構(gòu)以及載荷傳遞特點(diǎn)，特大貨車走形部應(yīng)為多組轉(zhuǎn)向架組成的轉(zhuǎn)向架群結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)向架子平臺(tái)的搭建主要以不同軸數(shù)、結(jié)構(gòu)型式的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模塊為基礎(chǔ)，包括2軸、3軸、4軸的不同結(jié)構(gòu)型式及軸重的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模塊.

1.2 小底架結(jié)構(gòu)系列

根據(jù)特大貨車的結(jié)構(gòu)及載荷傳遞特點(diǎn)，特大貨車小底架子平臺(tái)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊主要有兩類結(jié)構(gòu)型式，一類是帶牽引梁小底架，主要用于車輛端部，安裝車鉤緩沖裝置;另一類是不帶牽引梁的小底架，即可用于車輛端部，也可用于車輛中部.

1.3 大底架結(jié)構(gòu)系列

根據(jù)特大貨車的結(jié)構(gòu)、載荷傳遞特點(diǎn)以及運(yùn)輸時(shí)車輛通過曲線能力的要求，大底架子平臺(tái)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊較為固定.

1.4 導(dǎo)向梁結(jié)構(gòu)系列

根據(jù)特大貨車的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)輸時(shí)通過曲線能力的要求，特大貨車應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向梁，導(dǎo)向梁子平臺(tái)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊較為固定.

1.5 承載框架結(jié)構(gòu)系列

由于特大貨車所運(yùn)貨物的各異性，根據(jù)不同的貨物結(jié)構(gòu)型式及承載能力要求，匹配不同的承載框架，結(jié)合多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外特大貨車發(fā)展歷程總結(jié)出了五種型式承載框架結(jié)構(gòu)模塊.

基于上述“積木式”的子系列結(jié)構(gòu)，可以很方便的搭建成市場(chǎng)所需要的各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，然而，設(shè)計(jì)方案是否可行?則需要進(jìn)行精細(xì)的、多領(lǐng)域的、系統(tǒng)的數(shù)值仿真校驗(yàn)，以杜絕設(shè)計(jì)隱患，而不是寄希望于試驗(yàn).為此，構(gòu)建了一個(gè)專用于特大貨車結(jié)構(gòu)的性能數(shù)值仿真校驗(yàn)平臺(tái).

2 性能數(shù)值仿真校驗(yàn)平臺(tái)的模塊化結(jié)構(gòu)

(1)靜強(qiáng)度仿真計(jì)算模塊;

(2)靜剛度仿真計(jì)算模塊;

(3)結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算模塊;

(4)結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性計(jì)算模塊;

(5)車輛動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算模塊;

(6)結(jié)構(gòu)三維幾何導(dǎo)入模塊;

(7)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分及邊界條件定義模塊;

(8)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊.

該平臺(tái)的仿真支持工具來自于世界著名的有限元軟件ANASYS、NASTRAN，以及通用的動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS，它可以考慮剛?cè)峄旌辖５膭?dòng)力學(xué)仿真［6］.

其與有限元軟件有接口的三維幾何創(chuàng)建軟件是I-DEAS，其與有限元軟件有接口的前后處理軟件是著名的Hyper-Mesh.

首先，在I-DEAS中創(chuàng)建三維幾何，然后，導(dǎo)入到Hyper-Mesh，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中:

(1)薄殼單元主要用來離散轉(zhuǎn)向架、小底架、大底架、鉗夾梁、側(cè)承梁、導(dǎo)向梁等結(jié)構(gòu);

(2)三維塊體元主要用來離散各類銷軸;

(3)非線性的接觸單元主要用來定義包括接觸旁承在內(nèi)的接觸關(guān)系;

(4)專用的彈簧元主要用來定義轉(zhuǎn)向架上的支承彈簧，并定義邊界條件，其中包括外載荷以及位移約束.

特別要指出的是:該平臺(tái)上的動(dòng)力學(xué)模塊考慮了特大貨車動(dòng)力學(xué)四項(xiàng)共性難點(diǎn):小曲線通過的導(dǎo)向能力;重載橫向穩(wěn)定性;空車回放時(shí)動(dòng)力學(xué)的可靠性;小曲線上對(duì)輪軌的側(cè)向力，因此，基于模態(tài)綜合法，在動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真時(shí)采用了剛?cè)狁詈霞夹g(shù)，從而克服了多剛體建模的局限性［7-8］.

圖2給出了性能數(shù)值仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)流程，圖2中的子結(jié)構(gòu)與前面的結(jié)構(gòu)系列對(duì)應(yīng).

針對(duì)特大貨車結(jié)構(gòu)的模塊化特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)構(gòu)造的性能數(shù)值仿真校驗(yàn)平臺(tái)也是模塊化結(jié)構(gòu)的.這些功能模塊分別是:

圖2 仿真校驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)流程

3 工程應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比

該平臺(tái)上的數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，這一點(diǎn)特別重要，因?yàn)樗粌H證明了該平臺(tái)功能的完整性與可靠性，也證明了該平臺(tái)上我們對(duì)特大貨車結(jié)構(gòu)建模經(jīng)驗(yàn)共享的有效性.

下面給出二個(gè)應(yīng)用案例的數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果如表1～表4所示，因篇幅所限，這里僅列出了部分對(duì)比結(jié)果.

(1)DA37型凹底車

表1 強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2 動(dòng)力學(xué)性能仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

(2)DQ45型鉗夾車

表3 DQ45型鉗夾車強(qiáng)度計(jì)算分析與試驗(yàn)對(duì)比

表4 DQ45型鉗夾車動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算分析與試驗(yàn)對(duì)比

4 結(jié)論

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特大貨車譜系化結(jié)構(gòu)的性能數(shù)值仿真校驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，可以將設(shè)計(jì)隱患消除在設(shè)計(jì)階段，支持產(chǎn)品開發(fā)一次性成功，可以顯著地縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間與成本，它已經(jīng)對(duì)我國(guó)特大貨車產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)做出了重要的貢獻(xiàn)，有力的支持了國(guó)家重點(diǎn)工程的順利建設(shè).然而，這里需要強(qiáng)調(diào)的是:搭建該平臺(tái)的計(jì)算機(jī)軟件、硬件條件是必要的，但是能得心應(yīng)手駕馭這些軟硬件的人，則需要良好的理論修養(yǎng)，他們的貢獻(xiàn)是隱形的，然而卻是第一重要的.

［1］李渝生.對(duì)我國(guó)鐵路長(zhǎng)大貨物運(yùn)輸?shù)乃伎寂c建議［J］.鐵道車輛，1998，36(11):27-33.

［2］張琦.對(duì)大件貨物運(yùn)輸?shù)乃伎迹跩］.鐵道貨運(yùn)，1998(6):13-14.

［3］田葆栓.鐵路長(zhǎng)大貨物運(yùn)輸裝備技術(shù)發(fā)展水平與關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.中國(guó)鐵路，2004(2):35.

［4］王德占.關(guān)于超長(zhǎng)貨物運(yùn)輸?shù)乃伎迹跩］.鐵道貨運(yùn)，2005(5):31-33.

［5］肖德貴.提升鐵路長(zhǎng)大貨物運(yùn)輸裝備水平的思考［J］.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2005，27(9):9-15.

［6］王勖成.有限單元法基本原理和數(shù)值方法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［7］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB/T5599-1985鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1985.

［8］WANG X Q，LIU Z H.The Influence of Adhesion Coefficient on Wheel and Rail Service Life［C］.Proc.，9th International Wheelset Congress，Mont real，Canada，1988.