黃盼盼，胡艷*，于連玉

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快運(yùn)棚車靜強(qiáng)度分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

黃盼盼1，胡艷1*，于連玉2

（1. 江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2. 中車山東機(jī)車車輛有限公司 CAE分析試驗(yàn)中心，山東 濟(jì)南 250000）

隨著電商物流的迅猛發(fā)展，為提高運(yùn)輸效率，降低物流成本，亟需加快研制快運(yùn)棚車。設(shè)計(jì)初期運(yùn)用有限元方法評(píng)估車體的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度，分析結(jié)果表明車體靜強(qiáng)度滿足TB/T1335－1996要求。為進(jìn)一步驗(yàn)證車體強(qiáng)度，在樣車試制完成后進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明車體靜強(qiáng)度滿足TB/T1335－1996要求。分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明：分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，兩者相對(duì)誤差在7%以內(nèi)，驗(yàn)證了有限元模型的可信度。

棚車；靜強(qiáng)度；仿真分析；TB/T1335－1996

隨著有限元技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路車輛設(shè)計(jì)階段大都采用有限元方法對(duì)車體強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求后再進(jìn)行樣機(jī)試制[1-5]。為適應(yīng)電商物流的快速發(fā)展，中車山東機(jī)車車輛有限責(zé)任公司研制了運(yùn)行時(shí)速160 km/h的四門大容積快運(yùn)棚車。設(shè)計(jì)初期采用Hypermesh軟件處理車體有限元幾何模型，運(yùn)用ABAQUS后處理器進(jìn)行計(jì)算。分析結(jié)果表明，車體靜強(qiáng)度滿足TB/T1335－1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[5]的要求。對(duì)試制出的樣車進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)表明車體強(qiáng)度滿足文獻(xiàn)[5]要求，且分析與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，檢驗(yàn)了有限元模型的可信度。

1車體有限元模型及載荷工況

1.1 車體結(jié)構(gòu)

該車為整體承載式結(jié)構(gòu)，主要由中梁、側(cè)梁、大橫梁、小橫梁，縱向梁、端墻、側(cè)墻和車頂?shù)炔糠纸M成。車體中梁采用材質(zhì)為Q450NQR1型號(hào)為450x200熱軋H型鋼；下側(cè)梁采用材質(zhì)為Q450NQR1的30b型冷彎槽鋼；側(cè)墻板和車頂板采用05CuPCrNi，其它主要型鋼板材采用09CuPCrNi-A。車輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 車輛主要技術(shù)參數(shù)

1.2 有限元模型

采用20 mm的板殼單元S4R建立整車的有限元模型，將車體結(jié)構(gòu)離散為1054338個(gè)單元，1026799個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)不同工況，在車體心盤、前從板座、后從板座等處施加相應(yīng)約束。車體有限元模型如圖1所示。

圖1 車體有限元模型

1.3計(jì)算載荷

（1）第一拉伸載荷。根據(jù)文獻(xiàn)[5]要求，第一工況縱向拉伸載荷取值為1125 kN，沿車鉤中心線作在前從板座上。

（2）第一壓縮載荷。根據(jù)文獻(xiàn)[5]要求，第一工況縱向壓縮載荷取值為1400 kN，沿車鉤中心線作在后從板座上。

（3）第二壓縮載荷。根據(jù)文獻(xiàn)[5]要求，第二工況縱向壓縮載荷取值為2250 kN，沿車鉤中心線作在后從板座上。

（4）扭轉(zhuǎn)載荷。根據(jù)文獻(xiàn)[5]要求，施加40 kN·m的扭矩使車體扭轉(zhuǎn)。

1.4分析工況及結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，確定該車體的計(jì)算工況。

（1）工況1：垂向總載＋側(cè)向力＋扭轉(zhuǎn)＋縱向拉伸，1125 kN

（2）工況2：垂向總載＋側(cè)向力＋扭轉(zhuǎn)＋縱向壓縮，1400 kN

（3）工況3：垂向靜載＋縱向壓縮2250 kN

（4）工況4：垂向靜載荷

其中，垂向靜載荷＝4×軸重－2×轉(zhuǎn)向架重＝60.4 t（全部施加在地板面上）；側(cè)向力取為垂向靜載的10%；動(dòng)荷系數(shù)k為0.358。各工況的最大Mises應(yīng)力及出現(xiàn)的位置如表2所示。由表2可知，車體在各工況下的最大Mises應(yīng)力均小于相應(yīng)工況的需用應(yīng)力。故車體強(qiáng)度滿足文獻(xiàn)[5]要求。在車體靜載荷作用下，車體中梁最大撓度為10.7mm，撓跨比為1/1682（車輛定距為18000mm），小于文獻(xiàn)[5]要求的1/1500，故車體剛度滿足要求。限于篇幅所限，文中僅給出了工況3的應(yīng)力云圖，如圖2所示。

2仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析

2.1應(yīng)力比較

該車靜強(qiáng)度試驗(yàn)中應(yīng)變片主要集中于底架中梁、側(cè)梁處。這里對(duì)底架中梁、側(cè)梁大應(yīng)力區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果做比較。車體承受縱向壓縮載荷2250 kN時(shí)，試驗(yàn)與仿真分析對(duì)比結(jié)果如表3所示。

2.2數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由表3可知，在2250 kN縱向壓縮載荷作用下，相同位置處通過(guò)仿真計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果與通過(guò)試驗(yàn)方法得到的應(yīng)力結(jié)果基本一致。仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的絕對(duì)誤差在15MPa以內(nèi)，相對(duì)誤差在7%以內(nèi)。由此可以證明車體有限元模型的正確性。

分析與試驗(yàn)結(jié)果存在差異是由多方面因素導(dǎo)致的。從分析用模型與樣車的差異看，樣車存在制造公差而分析用模型不存在公差，導(dǎo)致分析用模型與實(shí)際制造出的樣車存在差異；從試驗(yàn)方面看，本文中的樣車在試制完成后隨即進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)，由于焊接、拼裝等因素引起的殘余應(yīng)力并沒有得到有效的釋放，也導(dǎo)致分析與試驗(yàn)結(jié)果之間存在差異。

表2 靜強(qiáng)度工況應(yīng)力分析結(jié)果

圖2 工況3車體應(yīng)力云圖

3結(jié)論

本文通過(guò)有限元方法評(píng)估了車體的靜強(qiáng)度，并通過(guò)試驗(yàn)方法驗(yàn)證了有限元模型的正確性，得出以下結(jié)論：

（1）車體分析計(jì)算結(jié)果表明，車體強(qiáng)度滿足文獻(xiàn)[6]的要求。

（2）分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在7%以內(nèi)，驗(yàn)證了有限元模型的可信度。

表3 壓縮載荷2250 kN時(shí)應(yīng)力對(duì)比結(jié)果

[1]周張義，卜繼玲，李芾. 機(jī)車車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析關(guān)鍵問題研究[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2008（1）：28-31.

[2]田葆栓，魏鴻亮，劉鳳偉. 我國(guó)鐵路貨車車體技術(shù)的回顧和展望[J]. 鐵道車輛，2013，51（12）：25-35.

[3]田葆栓. 出口澳大利亞C37型漏斗車車體結(jié)構(gòu)有限元及疲勞計(jì)算分析[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2010，30（2）：8-11.

[4]羊玢，孫慶鴻，黃文杰，等. 地鐵B型車車體靜強(qiáng)度及模態(tài)計(jì)算[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6（2）：1-5.

[5]李培，孫麗萍. 地鐵不銹鋼車體強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 內(nèi)燃機(jī)車，2011，4（4）：17-19.

[6]TB/T1335－1996，鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].

Static Strength Analysis and Test Verification of High Speed Boxcar

HUANG Panpan1，HU Yan1*，YU Lianyu2

( 1.School of Mechatronic Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221000, China;2.CAE Analysis & Test Center, CRRC Shandong Co.,Ltd., Ji′nan 250000,China )

With the rapid development of e-commerce logistics，it is important to develop high speed boxcar to improve transportation efficiency, and reduce logistics cost. The finite element method is used to evaluate the static strength of the boxcar. Analysis results show that the static strength of the vehicle body meet the standard of TB/T1335-1996.The static strength test is carried out after the prototype is manufactured. Test results show that the static strength of the vehicle body meet the standard of TB/T1335-1996, too. The comparison between the test results and the analysis results show that both are nearly consistent with each other, and the relative error between the analysis results and the test results is under 7%, which verified the reliability of the finite element model.

boxcar；static strength；simulation analysis；TB/T1335-1996

U272.1

A

1006－0316 (2018) 04－0060－03

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.014

2017－12－02

江蘇師范大學(xué)自然科學(xué)研究基金（16XLR017）

黃盼盼（1989－），男，山東濟(jì)寧人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)橛邢拊抡娣治觥⒛Σ磷约ふ駝?dòng)；于連玉（1976－），男，河北井陘人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事鐵路車輛設(shè)計(jì)及分析實(shí)驗(yàn)工作。

胡艷（1986－），女，四川遂寧人，博士，講師，主要研究方向?yàn)檩d流摩擦磨損、有限元仿真分析。