王世博 鄭曉倩

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇省南京市 210031

1 簡介

喀麥隆客車項目車體強度執(zhí)行UIC566標準，在車體鋼結構靜強度試驗時，主要是端部壓縮工況下出現了部分應力超限的區(qū)域，只能在原鋼結構上進行補強，同時受時間、條件、技術儲備不足的限制，一些結構并不是最合理的。因此，本文以喀麥隆行李車為基礎，利用仿真計算手段，對其端部結構進一步的優(yōu)化。該車型車端結構類似于25型車的車端結構，如圖1.1，以此結構為研究對象，具有普遍意義。

UIC566標準中，端部壓縮三個工況：（1）工況1：400kN 最小在緩沖器中心線上方的 350mm水平上；（2）工況2：300kN 最小在窗護欄水平上；（3）工況3：300kN 最小在上側梁水平上，試驗加力如圖1.2。

通過計算和試驗結果分析：原結構在工況1和工況2基本滿足標準要求，而工況3不能滿足要求，故對工況3下的車端上部結構進行優(yōu)化。

圖1.1 端部結構

圖2.1 工況3下的應力分布云圖

圖2.2 立柱應力云圖

2 現狀分析

通過端部工況計算，在風擋框后的立柱中部、邊梁與端頂槽鋼連接處、風擋框上部的端墻板處應力均超出材料許用應力數倍，應力分布如圖2.1。在實際試驗中，應力片貼在風擋框后面立柱與槽鋼焊接的根部，所測應力值超出了許用應力范圍，說明現有的端部結構不能滿足UIC標準的要求，須重新設計端部結構。

因應力超限，現車在端頂槽鋼加8mm封板，應力如圖2.2，立柱下口應力得到改善，但立柱中部應力仍遠超許用應力。增加封板有利于提高端頂槽鋼剛度，但對端頂槽鋼以上部位的剛度影響不大。因此，仍需對現有結構進行完善。

圖3.1 結構補強方案圖

圖3.2 立柱應力云圖

圖3.3 邊梁應力云圖

圖3.4 立柱與縱梁連接處應力云圖

圖3.5 風擋框上部應力云圖

圖3.6 內部結構

圖3.7 外部結構

圖3.8 端頂應力分布云圖

圖3.9 邊梁應力分布云圖

圖3.10 風擋框應力分布云圖

3 結構優(yōu)化與仿真計算

原結構形式，風擋框止于端頂中部，而端頂中部結構薄弱，故產生較大變形，風擋框端部產生應力集中。壓縮力主要通過邊梁向后傳遞，導致邊梁變形也較大。

本文通過二種途徑來降低結構應力：一是采用結構局部補強，改變部分梁柱斷面；二是結構改進，改善力的傳遞途徑。

3.1 結構補強

根據以上分析，因內部結構強度較弱，產生大變形，導致結構應力較大。經多次計算，確定結構補強方案，如圖3.1a）、b）、c）所示。

（1）端頂后立柱、橫梁改用斷面尺寸為6x70x80帽型梁；（2）風擋框后立柱下口槽鋼焊8mm封板，增加局部剛度；（3）對應風擋框后立柱的車頂縱向梁改用乙型梁，增大梁的斷面模數；（4）車頂邊梁與端頂槽鋼連接處用連接鐵補強，增加連接剛度；（5）側墻上邊梁下口加3mm封板，減小邊梁橫向變形；（6）門框與端頂槽鋼用乙型梁連接，減小槽鋼向后位移量；（7）端頂中部墻板后增加8mm補強板，增加承載能力；（8）風擋框后部提高50mm，增加受力面積；（9）風擋框上部增加封板，減小變形。

通過計算，補強后關鍵位置處的應力分布云圖如圖3.2、3.3、3.4和3.5，立柱應力最大值310.5MPa，側墻上邊梁應力最大值251MPa，基本滿足強度要求。相對原結構，應力值有大幅降低，但局部仍超出材料屈服強度，如風擋框上部最大應力385.2MPa，車頂縱梁與立柱連接處最大應力356MPa，結構仍需補強。補強方案的結構改動較大，設計復雜，結果并不理想。

3.2 結構改進

結構改進的主要途徑為增加向后的傳力路徑、增加風擋框受力面積。通過計算發(fā)現，風擋框上部結構對端頂上部應力分布起主要作用，風擋框外側增加補板有效分散力的傳遞，但端頂彎梁應力超過許用應力，故風擋框后增加縱梁提高強度。改進方案如圖3.6和3.7，（1）端頂立柱移至風擋框正后；（2）風擋框后縱梁由3mm改為6mm；（3）風擋框后增加一根縱梁；（4）風擋框上部加6mm封板；（5）風擋框外側加6mm補板。

經計算，端頂最大應力為306.5MPa，位于端頂板，應力分布如圖3.8；邊梁最大應力206.3MPa，立柱下口最大應力181MPa，均滿足強度要求，應力分布如圖3.9。風擋框應力最大值574.5MPa，位于風擋框端部，為一應力集中點，可忽略，其主體結構滿足強度要求，應力分布如圖3.10。

4 結論

（1）本文以喀麥隆客車為依托，對車端結構進行優(yōu)化與分析，優(yōu)化后兩種方案都能滿足強度標準要求。

（2）在方案1（結構補強）中，整個風擋框上部應力超限，難以改善；方案2（結構改進）中存在應力集中點。方案1設計復雜，需要補強的部位較多，結構笨重。方案2只需在原結構基礎上稍改動，即可滿足要求，工藝性好，故方案2為較優(yōu)方案。

（3）本文按照UIC566標準對車端結構進行優(yōu)化設計，為今后類似項目的執(zhí)行奠定基礎，做好技術儲備。