楊會(huì)會(huì) 廖平 董靜

摘要：針對(duì)某型軌檢車(chē)車(chē)下個(gè)別柴油發(fā)電機(jī)組特殊油箱吊座模塊在仿真計(jì)算的過(guò)程中出現(xiàn)局部靜態(tài)應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面對(duì)該吊座提出了3種優(yōu)化方案，通過(guò)CAE靜強(qiáng)度仿真計(jì)算并結(jié)合屈服安全系數(shù)判定方法，得出優(yōu)化方案3的屈服安全系數(shù)為1.586，其值大于1.15，其結(jié)構(gòu)更加合理，為以后類(lèi)似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

Abstract： In order to solve the problem that the local static stress exceeds the allowable stress of the material in the process of simulation calculation of some special oil tank hanging seat module under a certain type of rail inspection vehicle， three optimization schemes are proposed from the structure and material aspects. Through the CAE static strength simulation calculation and combined with the yield safety factor determination method， the yield safety factor of optimization scheme 3 is 1.586， which is greater than 1.15， and its structure is more reasonable， which provides a certain reference for the future optimization design of similar structures.

關(guān)鍵詞：軌檢車(chē);油箱吊座模塊;屈服安全系數(shù);優(yōu)化

Key words： rail inspection vehicle;oil tank hanger module;yield safety factor;optimization

中圖分類(lèi)號(hào)：U273.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0023-03

0? 引言

隨著軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，軌道也隨之被廣泛應(yīng)用，因此軌道幾何狀態(tài)的檢測(cè)也變得尤為重要[1]。中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司設(shè)計(jì)的某型軌道檢查車(chē)可實(shí)現(xiàn)最高檢測(cè)速度160km/h運(yùn)行條件下對(duì)軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行雙向檢測(cè)，這款車(chē)車(chē)下個(gè)別特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)在CAE仿真計(jì)算的時(shí)候出現(xiàn)局部靜態(tài)應(yīng)力超差的現(xiàn)象，存在安全隱患，針對(duì)此問(wèn)題，本文對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并結(jié)合CAE仿真計(jì)算，得出了此優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性，為以后類(lèi)似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路和方法。

1? 油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)描述

圖1給出了某型軌檢車(chē)車(chē)下柴油發(fā)電機(jī)組油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)，由一塊折彎的立板和兩塊筋板組焊而成。受該型軌檢車(chē)車(chē)下設(shè)備布局空間的限制，此車(chē)型車(chē)下部分油箱吊座模塊的個(gè)別筋板和車(chē)下制動(dòng)吊座模塊出現(xiàn)干涉情況，圖2給出了三維干涉狀態(tài)，因此需在油箱吊座模塊干涉的個(gè)別筋板上切除部分結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足與制動(dòng)吊座模塊的安裝配合，圖3給出了需要切除部分結(jié)構(gòu)的特殊油箱吊座模塊的結(jié)構(gòu)圖。

2? 靜強(qiáng)度理論及驗(yàn)收規(guī)范

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，計(jì)算復(fù)雜應(yīng)力結(jié)構(gòu)時(shí)，采用當(dāng)量計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行求解校核[2]，其計(jì)算公式為：

（1）

式中：？滓e——當(dāng)量應(yīng)力，MPa;

？滓i——主應(yīng)力（i=1，2，3），MPa。

在判定結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求時(shí)，可引入屈服安全系數(shù)其計(jì)算公式如下[3]：

（2）

式中：R——材料屈服點(diǎn)（Rel）或0.2%的實(shí)用彈限應(yīng)力（Rp02），單位：N/mm2;

？滓c——計(jì)算應(yīng)力，單位：N/mm2。

其中在僅利用計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)S1應(yīng)取1.15，故當(dāng)所計(jì)算的屈服安全系數(shù)S不小于1.15時(shí)，該結(jié)構(gòu)才能滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。

3? 特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)需要切除部分結(jié)構(gòu)的個(gè)別特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合CAE仿真對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析計(jì)算，表1給出了該油箱吊座模塊的結(jié)構(gòu)屬性。在本文中所有涉及坐標(biāo)系的方向規(guī)定如下：

X向：對(duì)應(yīng)于車(chē)輛車(chē)體縱軸，正方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向;

Z向：對(duì)應(yīng)于車(chē)輛車(chē)體豎向軸，正方向指向上方;

Y向：對(duì)應(yīng)于車(chē)輛車(chē)體橫軸，為水平平面，構(gòu)成了右手坐標(biāo)系。

表2給出了CAE仿真時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算工況，其中縱向沖擊工況可根據(jù)屈服強(qiáng)度進(jìn)行校核，因此可根據(jù)式（2）中的屈服安全系數(shù)是否不小于1.15來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的合理性。

圖4給出了特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)的在縱向沖擊工況下的應(yīng)力云圖，由圖可知該結(jié)構(gòu)在此工況下最大靜應(yīng)力達(dá)到了331.43MPa，由式（2）可得其屈服安全系數(shù)為0.709，其值小于1.15，故此特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)并不滿(mǎn)足屈服強(qiáng)度要求，存在一定的安全隱患。

4? 特殊油箱吊座模塊優(yōu)化分析

針對(duì)以上特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求的情況，本文從結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面提出3種優(yōu)化方案，表3給出了此3種優(yōu)化方案內(nèi)容。針對(duì)優(yōu)化方案1對(duì)該結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的筋板缺口處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，將該筋板缺口處的一些結(jié)構(gòu)尖點(diǎn)進(jìn)行平滑過(guò)渡處理，圖5給出了該特殊油箱吊座模塊優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)。針對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)按縱向沖擊工況再對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖6給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力云圖，由圖可知該結(jié)構(gòu)在此工況下最大靜應(yīng)力為223.87MPa，與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前相比應(yīng)力下降較大，故可得從結(jié)構(gòu)方向進(jìn)行該結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的，表4給出了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的計(jì)算結(jié)果，圖7給出了幾種方案的屈服安全系數(shù)曲線。但由表4和圖7可知針對(duì)優(yōu)化方案1其屈服安全系數(shù)為1.050，其值仍小于1.15，故在此情況下的結(jié)構(gòu)仍存在安全隱患問(wèn)題?，F(xiàn)針對(duì)優(yōu)化方案2僅從材料優(yōu)化的角度考慮，僅將Q235B材料改為Q355NE的材料，由表4和圖7可知其屈服安全系數(shù)為1.071，其值仍小于1.15，故在此情況下的結(jié)構(gòu)仍存在安全隱患問(wèn)題。因此針對(duì)優(yōu)化方案3同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化，由表4可知其屈服安全系數(shù)為1.586，其值大于1.15，其結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足屈服強(qiáng)度使用要求，同時(shí)由圖7得出屈服安全系數(shù)S隨幾種優(yōu)化方案的改進(jìn)而逐漸增大，尤其在優(yōu)化方案3時(shí)屈服安全系數(shù)S達(dá)到最大且超過(guò)了S1的1.15，故優(yōu)化方案3中同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化是比較合理的。

5? 結(jié)論

①針對(duì)特殊油箱吊座模塊的特殊結(jié)構(gòu)問(wèn)題，本文從結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面對(duì)該吊座提出了3種優(yōu)化方案，并結(jié)合CAE靜強(qiáng)度仿真計(jì)算和屈服安全系數(shù)判斷方法，得出優(yōu)化方案3的屈服安全系數(shù)為1.586，其值大于1.15，證明其結(jié)構(gòu)更加合理。

②針對(duì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題的優(yōu)化，本文提出的從結(jié)構(gòu)優(yōu)化到材料優(yōu)化最后再到結(jié)構(gòu)和材料同時(shí)優(yōu)化的優(yōu)化思路是可行的，為以后類(lèi)似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

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