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        載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體強度及疲勞壽命分析

        2017-02-18 17:00:04謝亮
        科技創(chuàng)新與應用 2017年3期
        關鍵詞:強度分析有限元

        謝亮

        摘 要:文章主要介紹了載重100噸鋁合金煤炭漏斗車的主要結構、技術參數,并對漏斗車的車體結構進行了模態(tài)分析及疲勞壽命分析,分析結果表明該車體結構疲勞壽命滿足相關標準及規(guī)范的要求。

        關鍵詞:漏斗車車體;有限元;強度分析;疲勞壽命分析

        1 概述

        隨著國內鐵路貨車市場的飛速發(fā)展,為了提高鐵路煤炭的運輸效率,實現裝卸作業(yè)的自動化,研制大軸重自卸煤炭漏斗車,有相當重要的經濟意義。本文將介紹載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體限元結構、疲勞壽命分析計算。

        2 車輛主要技術性能參數及基本尺寸

        該車在國內軌距為1435mm的標準線路上運行,用于煤炭的運輸,也可用于既有線路的散粒貨物裝運。載重100噸鋁合金煤炭漏斗車主要技術參數。軌距1435mm,自重≤20t載重100t,軸重30t自重系數≤0.2,容積115m3,最高運行速度100km/h,曲線通過半徑145m,緊急制動距離≤1400m。

        3 建立車體力學模型

        3.1 車體力學模型

        車體結構強度分析采用有限元分析軟件ANSYS 11.0[1],由于該車車體結構對于其橫向和縱向中央截面對稱,利用結構的對稱性準則,按TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》[2]靜態(tài)分析時取其1/4結構建立有限元模型,如圖1所示。

        3.2 模態(tài)分析

        取整車車體進行自由模態(tài)分析,計算得到的模態(tài)結果如表1所列。在1階、2階、3階、4階、5階時,對應的頻率(Hz)分別為:

        9.22、15.31、15.83、18.54、18.61,振型分別為:側墻端部橫向變形、側墻端部橫向變形、漏斗隔板彎曲、漏斗隔板彎曲、漏斗隔板彎曲。

        4 車體疲勞壽命分析

        4.1 疲勞載荷與壽命估算方法

        根據鐵科技[2012]154號文下發(fā)的《大軸重鐵路貨車總體技術條件(暫行)》,載重100噸級鋁合金煤炭漏斗車車體使用壽命應在500萬公里以上。本文參照AAR標準M-1001,2007“貨車設計制造規(guī)范”第7章“貨車的疲勞設計”(以下簡稱《疲勞設計》)中的載重90.7t開口漏斗車的載荷譜及標準“BS EN 1993-1-9:2005 Eurocode 3: 鋼結構設計規(guī)范”中有關材料疲勞性能數據,估算車體各部位在垂向、扭轉及縱向疲勞載荷譜作用下的疲勞壽命。考慮所有載荷下車體結構的疲勞損傷情況,對車體結構的疲勞強度進行綜合評價。

        4.2 有限元模型

        4.2.1 模型簡化及單元劃分

        根據對稱性,取1/4或1/2個車體結構進行有限元建模分析(見圖1)。由于薄板理論的實用性,因此采用殼單元取每塊板的中性層建立該漏斗車有限元分析模型,同時忽略所有非承載結構。采用Hypermesh軟件進行網格劃分,嚴格控制網格劃分的質量,以保證獲得精確的變形、高的應力區(qū)域以及應力梯度分布。采用梁單元和單向彈簧元模擬轉向架與車體之間的聯(lián)接。車體1/4有限元模型統(tǒng)計數據,NODE:106060,SHELL181:97374,BEAM4:803,COMBIN14:1。

        4.2.2 約束設置

        根據車體受力情況在模型中施加相應的垂向、橫向及縱向位移約束。由于對稱性,在相應的對稱面上施加對稱或反對稱約束,心盤處加垂向彈性約束。模型中坐標軸的方向為:車體縱向為X軸,橫向為Z軸,垂向為Y軸。

        4.3 疲勞壽命估算結果

        首先進行車體在垂向心盤載荷100t、縱向100t拉伸載荷和縱向100t壓縮載荷、扭轉40kN·m載荷和36t旁承載荷工況下的有限元應力分析,得出這些參考應力后,參照相應的標準建議給出的,如表1所示的疲勞壽命評價部位的典型疲勞性能參數,對車體進行各分力譜下的疲勞損傷估算,最后折算出疲勞壽命(運用公里數),結果見表1。

        5 結束語

        綜上所述,載重100噸級鋁合金煤炭漏斗車車體各部位的疲勞壽命均大于500萬公里的設計壽命要求,通過車體疲勞壽命計算分析,盡量避免了焊縫質量較差位置的疲勞壽命過低的情況,載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體結構靜強度和剛度及疲勞壽命滿足《規(guī)范》和《技術條件》的要求。

        參考文獻

        [1]AAR Manual of Standards and Recommended Practices, Sec-tion C, ParⅡ-Design,Fabrication,and Construction of Freight Cars, Chapter 4 Design, 2010.

        [2]TB/T 1335-1996.鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范[S].

        [3]嚴雋耄,傅茂海.車輛工程(第三版)[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

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