馮創(chuàng)友 劉兵 楊艷萍 黃盼 江明星

摘要：本文針對出口阿根廷K75-ARG型漏斗車端部側(cè)支撐組成在首次試驗的頂車工況時出現(xiàn)大變形問題，分析變形原因，并通過有限元分析軟件ANSYS對端部側(cè)支撐組成在頂車工況下進行了穩(wěn)定性分析，提出合理的解決方案，并通過第三方試驗驗證。

關(guān)鍵詞：漏斗車;穩(wěn)定性;分析

中圖分類號：U272.6+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0049-02

0? 引言

中車眉山車輛有限公司于2015年為阿根廷鐵路設(shè)計制造了K75-ARG型漏斗車（以下簡稱“漏斗車”），該車車體鋼結(jié)構(gòu)靜強度和剛度滿足TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及實驗鑒定規(guī)范》。樣車首次靜強度試驗中，頂車工況出現(xiàn)了端墻兩側(cè)的側(cè)支撐組成變形較大問題（如圖1所示），該區(qū)域的最大等效應(yīng)力較小，是典型的小應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生大變形現(xiàn)象，即局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了失穩(wěn)破壞。本文利用大型有限元分析軟件的屈曲分析模塊，對上述問題進行仿真再現(xiàn)，并給出了問題的解決措施。

1? 屈曲分析概述

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)。包括線性屈曲分析和非線性屈曲分析，線性屈曲分析又稱為特征值屈曲分析。

線性屈曲分析用于預測一個理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強度（分叉點），該方法相當于教科書里的彈性屈曲分析方法。但是，初始缺陷和非線性使得很多實際結(jié)構(gòu)都不是在其理論彈性屈曲強度處發(fā)生屈曲。因此，特征值屈曲分析經(jīng)常得出非保守結(jié)果，通常不能用于實際的工程分析。

非線性屈曲分析是一種典型而且重要的幾何非線性分析，常用于對實際結(jié)構(gòu)的設(shè)計或計算。模型中可以包括諸如初始塑性、缺陷、大變形響應(yīng)等特征，該方法用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術(shù)來求得使結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷。

2? 仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 原方案有限元分析

該漏斗車車體為鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，計算模型如圖2所示。頂車工況下的屈曲分析，作用在模型上的載荷有車體自重、載重75t、頂車載荷。在線性屈曲分析過程中，如某些荷載是常數(shù)（如自重荷載），而其他荷載是可變的（如外荷載），則必須要確保從常數(shù)荷載得到的剛度，在特征值求解時不被縮放。為達到這一目的的一個策略，采用在特征解上迭代，調(diào)整可變荷載，直到特征值變成1.0（或接近1.0，即允許一些收斂容差），用這種迭代方法來得到最終外載荷就是臨界屈曲載荷。原方案線性屈曲分析時，逐步調(diào)節(jié)施加的頂車載荷，使特征值接近1（如圖2所示），計算出臨界載荷為33.6t，小于試驗時頂車墊板上施加的43.14t。

2.2 原因分析及解決措施

原方案考慮到標記涂打的位置以及牽引梁段的風制動裝置、卸貨控制系統(tǒng)的布置空間，將端墻設(shè)計成新型的板柱-立板結(jié)構(gòu)，側(cè)支撐組成由側(cè)立板（5mm）和封板組成T型結(jié)構(gòu)，側(cè)立板內(nèi)側(cè)面焊有封閉三角形補強邊框，側(cè)支撐組成僅靠幾條角接焊縫與車體焊接。頂車工況試驗時，側(cè)支撐組成直接承受來自頂車墊板試驗載荷，將形成兩端受壓的薄板結(jié)構(gòu)，容易導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。加強方案在兩側(cè)的側(cè)支撐處組焊一根連接端橫帶與枕梁上蓋板的斜撐（如圖3所示），使頂車載荷通過新增的斜撐傳遞到端橫帶，進而整個端墻結(jié)構(gòu)承受頂車載荷作用。

2.3 加強方案有限元分析

加強方案線性屈曲分析時，計算得出加強方案屈曲臨界載荷為51.2t，對加強方案進行了非線性屈曲分析。采用弧長法，施加線性屈曲分析的臨界載荷作為給定載荷，并繪制出屈曲點沿車體橫向的變形曲線（如圖4所示），計算出臨界載荷為46.6t，大于試驗載荷43.15t。

3? 試驗驗證

2015年8月，第三方試驗機構(gòu)（西南交通大學牽引動力國家試驗室）在中車眉山車輛有限公司產(chǎn)品性能實驗室完成了該漏斗車車體靜強度試驗。所有測點的頂車合成應(yīng)力均小于所用材料的屈服極限，頂車位及其附近結(jié)構(gòu)無永久變形，頂車工況順利通過試驗驗證。

4? 結(jié)論

本文以出口阿根廷K75-ARG型漏斗車靜強度試驗中出現(xiàn)的側(cè)支撐外脹現(xiàn)象為研究對象，分析了出現(xiàn)外脹的原因。采用ANSYS軟件完成了頂車工況的線性和非線性屈曲分析，提出了合理的解決失穩(wěn)問題的技術(shù)措施，算結(jié)果表明：加強方案的側(cè)支撐臨界屈曲載荷遠大于頂車工況的頂車載荷。第三方試驗結(jié)果表明，該技術(shù)措施圓滿的解決了側(cè)支撐組成的失穩(wěn)失效問題。通過本文研究表明，有大面積薄板結(jié)構(gòu)的車體設(shè)計時，應(yīng)進行按相關(guān)標準的各工況線性屈曲分析，對于其臨界載荷值接近標準規(guī)定的試驗值時（約為1.2倍），應(yīng)進行更為復雜的非線性屈曲分析，以便在有限的研發(fā)周期里確保結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]中車眉山車輛有限公司.阿根廷25t軸重寬軌礦石漏斗車車體結(jié)構(gòu)靜強度分析報告[R].2015.

[2]范章，左樹春.碟形封頭在外壓作用下的屈曲分析[J].壓力容器，2013，31（1）：34-39.

[3]西南交通大學牽引動力重點實驗室.K75-ARG型礦石漏斗車車體檢測報告[R].2015.

[4]嚴雋髦，付茂海.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2008.