仝曉田

摘 要

根據(jù)項(xiàng)目組要求，保證整機(jī)功能滿足要求，在設(shè)計(jì)空間受限的情況下，在有限的空間內(nèi)對(duì)某鐵路車輛車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用CAE手段對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果與靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：車架的靜強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于同一測(cè)試點(diǎn)其仿真分析的應(yīng)力值與試驗(yàn)得到的應(yīng)力值誤差基本在10%以內(nèi)，剛度變形值基本沒(méi)有誤差，結(jié)果一致性較好，該設(shè)計(jì)方法為今后的車架及大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞

車架;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);剛度;強(qiáng)度;CAE;APDL

中圖分類號(hào)： U469.53 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.033

0 引言

鐵路運(yùn)輸是我國(guó)的主要運(yùn)輸方式，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著非常重要的作用[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，越來(lái)越多的人工勞動(dòng)被機(jī)械智能所取代，既減少了勞動(dòng)力又大大地提高了生產(chǎn)效率。

對(duì)于整機(jī)來(lái)說(shuō)，車架是整機(jī)結(jié)構(gòu)中重要的承載部件，整機(jī)其他零部件主要通過(guò)焊接、螺栓連接、鉚接等方式固定在車架上。車架的構(gòu)架是由大量的型材和鋼板焊接而成[2]，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度是否滿足要求直接決定了靜強(qiáng)度試驗(yàn)的一次性通過(guò)率，節(jié)約時(shí)間和資金成本。車架作為重要的承載傳力部件，其設(shè)計(jì)時(shí)受工作裝置、芯盤距及軸重的限制，局部幾何形狀比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大。有必要利用先進(jìn)的計(jì)算手段對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析校核。

本文按照總體對(duì)整機(jī)的基本布局進(jìn)行車架的方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用APDL參數(shù)化建模的有限元方法計(jì)進(jìn)行建模，經(jīng)過(guò)反復(fù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得出滿足TB/T1335-1996《鐵路車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》以及GB/T25337-2010《鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求的構(gòu)架。

1 車架方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架長(zhǎng)度為28240mm，寬度為3040mm，屬于超長(zhǎng)構(gòu)架，主要由車架前部，車架中部，左、右主焊接H型梁，前、后心盤座，橫梁、連接梁及一些輔助元件組成，矩形管厚度有8mm、10mm、12.5mm和16mm四種類型。整車剛度由兩側(cè)主焊接H型梁承擔(dān)，根據(jù)整機(jī)布局的需求，在相應(yīng)的位置設(shè)計(jì)不同的承載結(jié)構(gòu)，車架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車架心盤距為23000mm，構(gòu)架主結(jié)構(gòu)材料均為Q420D，個(gè)別材料為Q355D，材料參數(shù)如表1所示。

2 車架結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

2.1 車架有限元模型

利用APDL參數(shù)化建模的有限元方法計(jì)進(jìn)行建模。對(duì)車架結(jié)構(gòu)采用帶節(jié)點(diǎn)偏置功能的SHELL181單元進(jìn)行離散，控制網(wǎng)格大小為30mm，得到的有限元模型[2]。

有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為185 166，單元總數(shù)為186 655，單元質(zhì)量均值指標(biāo)為0.99，網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)良[3]。單元多為平面四邊形單元，在進(jìn)行殼單元偏置后形成八節(jié)點(diǎn)六面體單元，根據(jù)彈性力學(xué)的物理方程，單元應(yīng)力計(jì)算如公式（1）所示[11]。

2.2 計(jì)算工況及加載

根據(jù)《TBT 1335-1996 鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及鑒定規(guī)范》[12]，最主要的測(cè)試試驗(yàn)為垂向剛度試驗(yàn)，和縱向拉伸、壓縮試驗(yàn)。因此本次計(jì)算針對(duì)以下幾種工況進(jìn)行計(jì)算，具體如表2所示。

其中，車架的垂向剛度計(jì)算要滿足標(biāo)準(zhǔn)[12]中的公式：

式中：f為最大撓度，也即是車架的最大垂向變型;L為車輛的心盤定距。某鐵路車輛心盤定距為23000mm，因此其垂向最大變形不能大于25.5mm。車架結(jié)構(gòu)為焊接的鋼結(jié)構(gòu)，用第四強(qiáng)度理論[13]（Von Mises準(zhǔn)則）建立強(qiáng)度條件為：

計(jì)算得到的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)σe，車架材料的許用應(yīng)力為262MPa，因此，計(jì)算應(yīng)力的最大值不能大于262MPa。

車架上部各個(gè)設(shè)備質(zhì)量用mass質(zhì)量單元來(lái)模擬。

垂向空載時(shí)，載荷即為車架的自重。垂向靜載時(shí)，載荷為車架的整備質(zhì)量，即車架的自重與車架上所有設(shè)備重量之和?？v向拉伸時(shí)，載荷由拉伸載荷和垂向動(dòng)載荷共同構(gòu)成，縱向壓縮時(shí)與此相似，載荷由壓縮載荷和垂向動(dòng)載荷共同構(gòu)成。垂向動(dòng)載荷等于垂向靜載荷與垂向動(dòng)載荷系數(shù)的乘積，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[12]，垂向動(dòng)載荷系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：Kdv是垂向動(dòng)載荷系數(shù);fj為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，取65mm;v是車輛的運(yùn)行速度，取120km/h;b為系數(shù)，取值為0.05;d為系數(shù)，取值為1.65;a為系數(shù)，簧上部分取值為1.50;c為系數(shù)，簧上部分取值為0.427。

可以計(jì)算出垂向動(dòng)載荷系數(shù)為0.203。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[12]，縱向拉伸的力為980KN，縱向的壓力為1180KN，考慮到列車運(yùn)行的實(shí)際情況[4]，需要在垂向靜載荷的基礎(chǔ)上再加10%以代替車體受到的側(cè)向力。

以車架的長(zhǎng)度方向?yàn)閄向，寬度方向?yàn)閅向，高度方向?yàn)閆向。因?yàn)镾HELL181殼單元是有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的，所以可以在芯盤處的中心節(jié)點(diǎn)直接約束UY，UZ，ROTX，為了避免剛體位移，在其中一個(gè)芯盤處的中心節(jié)點(diǎn)約束UX，兩個(gè)芯盤處都釋放ROTY，在心盤區(qū)域范圍內(nèi)，車架上對(duì)應(yīng)的位置實(shí)際上是不受力或受力極小的，因此可以將此區(qū)域處理為剛性區(qū)域，以避免該位置的應(yīng)力集中問(wèn)題[6]。

3 車架靜強(qiáng)度試驗(yàn)

某鐵路車輛靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)由鐵道科學(xué)院主持，在中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司完成，根據(jù)車架的實(shí)際工況與受力情況分別進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)[7]。

4 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

4.1 剛度情況

在垂向空載和垂向靜載時(shí)需要計(jì)算出車架最大撓度值，表3列出了有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)得到的兩種工況下的最大撓度值。

從表3可以看出，垂向空載和垂向靜載時(shí)車架的仿真和試驗(yàn)最大撓度值都低于25.5mm，且與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，車架的剛度是符合設(shè)計(jì)要求的。如圖6所示，為垂向靜載下有限元計(jì)算的車架垂向變形分布，從圖上可以看出車架的最大垂向變形在中部，最大變形值-18.89mm，負(fù)號(hào)表示變形方向向下，因?yàn)閯?dòng)力車的主要工作部件都在中間部位，載荷較大，這也是與實(shí)際相符的。

4.2 強(qiáng)度情況

縱向拉伸和縱向壓縮時(shí)車架主結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力值應(yīng)小于262MPa，如表4所示，列出了測(cè)試點(diǎn)有限元仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力值。

由表4可得，在拉伸工況下，車架同一點(diǎn)的最大計(jì)算應(yīng)力為168.2MPa，最大試驗(yàn)應(yīng)力為162.5MPa，兩者誤差為3.1%，應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力216MPa，結(jié)果表明，在拉伸組合工況下車架強(qiáng)度是符合設(shè)計(jì)要求的。如圖7所示為拉伸工況下的應(yīng)力分布圖，從圖上可以看出車架的應(yīng)力主要分布。

縱向壓縮時(shí)，車架的受力情況是在考慮垂向動(dòng)載前提下兩端加載1180KN，如表5所示是壓縮工況下測(cè)試點(diǎn)有限元仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力值。

從表5中的對(duì)比結(jié)果中可見，壓縮工況的計(jì)算結(jié)果表明強(qiáng)度同樣滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)試點(diǎn)最大計(jì)算應(yīng)力為206.6MPa，最大試驗(yàn)應(yīng)力為198.8MPa，應(yīng)力值在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。表中應(yīng)力偏差較大的地方在開孔尖角處，模型做了簡(jiǎn)化，存在應(yīng)力集中的情況。如圖8是壓縮工況的應(yīng)力分布圖，構(gòu)架比較復(fù)雜[5]，某些局部受力情況較為復(fù)雜，計(jì)算應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力相對(duì)差值較大。車架中間部位應(yīng)力值都在合理的范圍之內(nèi)，且應(yīng)力分布較為均勻。

5 結(jié)論

本文從最初的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，利用APDL參數(shù)化語(yǔ)言建模，便于及時(shí)修正，效率較高，經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化計(jì)算，最終得出某鐵路車輛車架結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果看出，車架的強(qiáng)度和剛度都滿足設(shè)計(jì)要求。與靜強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比表明，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，特別是大應(yīng)力點(diǎn)一致性較好，誤差較小，說(shuō)明建模方法合理，約束符合實(shí)際工況，計(jì)算比較準(zhǔn)確。同時(shí)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法為今后的新產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計(jì)提供了有效依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]姜雷.軌檢車車架強(qiáng)度的有限元分析[J].鐵道建筑，2009（1）：12-14.

[2]劉然.大型養(yǎng)路機(jī)車車架鋼結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2014（6）：12- 14.

[3]楊文志，閔全金.某礦用車后車架強(qiáng)度及模態(tài)分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2018（4）：87-88，90.

[4]趙磊.內(nèi)燃機(jī)車車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與疲勞分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2015.

[5]宛銀生，周偉，姜再友，等.基于Hyper Works的副車架強(qiáng)度及模態(tài)分析[J].汽車工程師，2017（3）：16-18.

[6]王曉東，茍國(guó)慶.軌道除雪車車架靜強(qiáng)度分析及試驗(yàn)[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2014（02）：28-30.

[7]李婭娜，張宇婷，韓肖.某地鐵車體靜強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2016，25（02）：14-18.

[8]吳丹，李晉武.高速轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度及模態(tài)分析研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（1）：161-163.

[9]方凱.鐵道車輛車鉤疲勞強(qiáng)度分析及試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[10]劉賀.重型軌道車體強(qiáng)度分析及底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2017.

[11]李世蕓，肖正明.彈性力學(xué)及有限元[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[12]TB/T1335-1996.鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及鑒定規(guī)范[S].