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)*
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.
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
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.
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.
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.
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.
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).
(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
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
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.
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