郭紅玲,于春洋,劉春艷,張曉松,薛寧鑫

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心,吉林 長(zhǎng)春 130062)

車(chē)體作為軌道車(chē)輛的主要承載結(jié)構(gòu)之一,是各類(lèi)功能部件安裝的載體,同時(shí)承受車(chē)鉤、轉(zhuǎn)向架、減振器等部件傳遞至車(chē)體的載荷以及線(xiàn)路、外部環(huán)境的隨機(jī)載荷。以應(yīng)用廣泛的EN 12663-1:2010+A1:2014[1]標(biāo)準(zhǔn)為例,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了車(chē)體應(yīng)該能夠承受的靜載荷和疲勞載荷。靜載荷包括車(chē)鉤載荷、最大超員載荷、端部壓縮載荷、設(shè)備沖擊載荷等;疲勞載荷包括牽引制動(dòng)載荷、橫向振動(dòng)載荷、垂向振動(dòng)載荷、設(shè)備振動(dòng)載荷等。

在車(chē)輛設(shè)計(jì)階段,首先通過(guò)有限元法對(duì)車(chē)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析,分析結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之后,試制樣車(chē)進(jìn)行物理樣機(jī)試驗(yàn)。仿真分析與物理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案可大幅減少車(chē)輛的試制成本及設(shè)計(jì)周期。開(kāi)展車(chē)體有限元分析的重要前提是保證車(chē)體有限元模型的建模精度。劉春艷等[2]以某城市軌道客車(chē)車(chē)體為研究對(duì)象,通過(guò)有限元分析法分析得到車(chē)體的薄弱環(huán)節(jié),再通過(guò)車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種方法的分析結(jié)果誤差在可接受范圍之內(nèi),并從加載的邊界條件、測(cè)點(diǎn)位置、模型的一致性角度對(duì)建模和靜強(qiáng)度試驗(yàn)提出了建議。王青權(quán)等[3]以某鋁合金B(yǎng)型地鐵車(chē)輛M車(chē)車(chē)體為研究對(duì)象,對(duì)其靜強(qiáng)度特性進(jìn)行分析,仿真和試驗(yàn)結(jié)果顯示,軌道交通車(chē)輛鋁合金車(chē)體整體安全系數(shù)較大,但車(chē)門(mén)角、車(chē)窗角等區(qū)域應(yīng)力集中較明顯。因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮輕量化及應(yīng)力集中區(qū)的局部強(qiáng)度問(wèn)題。謝素明等[4]對(duì)比分析了某鋁合金材質(zhì)地鐵車(chē)的仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù),并對(duì)仿真分析數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值相差較大的評(píng)估點(diǎn)進(jìn)行了模型修正。同時(shí)認(rèn)為圓孔區(qū)域應(yīng)進(jìn)行單元細(xì)化并避免三角形單元,對(duì)局部剛度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)都應(yīng)該進(jìn)行建模。模型修正后,各評(píng)估點(diǎn)的計(jì)算誤差均小于10%。李曉峰等[5]采用殼單元和實(shí)體單元建立了鋁合金動(dòng)車(chē)模型,分析結(jié)果顯示,車(chē)鉤座區(qū)域、地板補(bǔ)板區(qū)域的應(yīng)力結(jié)果有一定偏差,牽引梁區(qū)域應(yīng)力結(jié)果基本無(wú)偏差。因此建議在采用殼單元建模時(shí),對(duì)上述偏差較大區(qū)域的安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高。

牽引梁是承載車(chē)鉤載荷的主要結(jié)構(gòu)。本文以鋁合金地鐵車(chē)牽引梁區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,針對(duì)牽引梁與地板之間的安裝特點(diǎn),采用兩種不同的建模方案建立牽引梁與地板之間的焊接關(guān)系。將車(chē)鉤拉伸、壓縮載荷工況下該區(qū)域的分析結(jié)果分別與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,分析兩種建模方案的差異性和適用性。

1 鋁合金地鐵車(chē)牽引梁結(jié)構(gòu)

鋁合金地鐵車(chē)的牽引梁由鋁合金板材、型材焊接組成。牽引梁整體呈魚(yú)腹?fàn)?是車(chē)輛之間實(shí)現(xiàn)連掛的安裝載體,同時(shí)承載車(chē)輛之間的牽引力、制動(dòng)力。某鋁合金地鐵車(chē)的牽引梁結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,該結(jié)構(gòu)主要由牽引梁下蓋板、牽引梁立板、車(chē)鉤座、牽引梁上蓋板、地板型材和枕梁組成。牽引梁下蓋板、牽引梁上蓋板為異形板件,在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用多個(gè)板件組焊而成;車(chē)鉤座由中空型材拼焊組成。為了在牽引梁的薄弱位置合理布置加強(qiáng)筋,可根據(jù)牽引梁的組焊工藝、應(yīng)力分布、使用功能等因素合理設(shè)置工藝孔、減重孔、走線(xiàn)孔等。牽引梁結(jié)構(gòu)整體與地板型材、底架端梁、枕梁焊接固結(jié)于車(chē)體底架端部。

1—牽引梁下蓋板;2—牽引梁立板;3—車(chē)鉤座;4—牽引梁上蓋板;5—地板型材;6—枕梁圖1 牽引梁結(jié)構(gòu)示意圖

鋁合金材料的機(jī)械性能不同于碳鋼、不銹鋼等金屬材料,鋁合金材料焊接熱影響區(qū)的屈服強(qiáng)度與材料本身相差較大。依據(jù)BS EN 1999-1-1: 2007 +A2:2013標(biāo)準(zhǔn)[6],常用鋁合金材料的熱影響區(qū)屈服強(qiáng)度約為母材的50%～70%。同時(shí),不同厚度、擠壓成型工藝(如:中空型材、開(kāi)口型材)的鋁合金材料的屈服強(qiáng)度也有所差異。因此合理地布置焊接位置對(duì)車(chē)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度至關(guān)重要。表1列出了本文所研究的牽引梁結(jié)構(gòu)材料基本屬性。

表1 牽引梁材料基本屬性

2 建模方案及載荷工況

2.1 建模方案

在工程上,鋁合金車(chē)體主要由薄壁中空鋁型材和板材焊接而成,因此建立車(chē)體有限元模型時(shí)主要采用四節(jié)點(diǎn)殼單元建模,對(duì)于具有復(fù)雜造型的安裝座采用四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建模。如圖2所示,牽引梁上蓋板與地板之間采用環(huán)角焊縫固結(jié)。牽引梁上蓋板與地板采用殼單元(圖中雙點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)條示意)建模時(shí),兩部件之間形成空間間隙。在車(chē)體實(shí)際結(jié)構(gòu)中,牽引梁上蓋板與地板之間為接觸關(guān)系。

圖2 牽引梁上蓋板與地板關(guān)系示意圖

對(duì)于上述結(jié)構(gòu)關(guān)系,本文提出兩種有限元建模方案。方案1:牽引梁上蓋板與地板之間的焊縫采用殼單元模擬,兩部件之間的空間間隙不建立接觸關(guān)系[7]。方案2:牽引梁上蓋板與地板之間的焊縫采用殼單元模擬,并在兩部件之間的空間間隙采用Rigid單元建立位移耦合關(guān)系。兩種方案的牽引梁模型見(jiàn)圖3。

(a) 方案1

2.2 載荷工況

根據(jù)牽引梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),該結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)鉤載荷最為敏感,因此本文采用車(chē)鉤載荷工況驗(yàn)證兩種有限元建模方案的差異性和適用性。依據(jù)EN 12663-1:2010+A1:2014標(biāo)準(zhǔn)中5.2.3部分的分類(lèi)規(guī)則,地鐵車(chē)輛為P-Ⅲ類(lèi)車(chē)輛。6.2.2部分則規(guī)定了不同類(lèi)型車(chē)輛的車(chē)鉤載荷,車(chē)鉤載荷工況見(jiàn)表2。

表2 車(chē)鉤載荷工況

3 車(chē)鉤載荷工況靜強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

鋁合金地鐵車(chē)的車(chē)鉤載荷工況靜強(qiáng)度試驗(yàn)在車(chē)體強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展。該試驗(yàn)臺(tái)采用液壓加載,具備2 000 kN的縱向載荷加載能力,滿(mǎn)足本次試驗(yàn)要求。

為驗(yàn)證兩層板件結(jié)構(gòu)建模方案的適用性,本文在牽引梁的兩層板件結(jié)構(gòu)位置和遠(yuǎn)離兩層板件結(jié)構(gòu)位置確定6個(gè)測(cè)點(diǎn),見(jiàn)圖4。在牽引梁的兩層板件結(jié)構(gòu)位置布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)(5031、5032、5034、5035),分別位于牽引梁上蓋板與牽引梁立板的焊縫終止位置、焊縫中間位置(圖4(b)、圖4(c))。在遠(yuǎn)離牽引梁的兩層板件結(jié)構(gòu)位置布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)(5033、5036),分別位于牽引梁下蓋板與牽引梁立板的焊縫終止位置(圖4(d)、圖4(e))。6個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用單向應(yīng)變片,應(yīng)變片方向與焊縫走向一致。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

為減小試驗(yàn)誤差,每個(gè)工況加載三次取平均值,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。6個(gè)測(cè)點(diǎn)均位于熱影響區(qū), 測(cè)點(diǎn)5031、5032、5034、5 035的屈服強(qiáng)度為125 MPa,測(cè)點(diǎn)5033、5036的屈服強(qiáng)度為155 MPa。由試驗(yàn)結(jié)果可知,6個(gè)測(cè)點(diǎn)在車(chē)鉤載荷工況下的應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度,滿(mǎn)足EN 12663-1:2010+A1:2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度要求。

表3 車(chē)鉤壓縮和拉伸工況測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值 MPa

4 試驗(yàn)值與仿真分析值對(duì)比

本文采用2.1部分確定的兩種有限元建模方案分別計(jì)算測(cè)點(diǎn)位置在車(chē)鉤載荷工況下的應(yīng)力值。開(kāi)展試驗(yàn)值與仿真分析值對(duì)比時(shí),應(yīng)注意以下事項(xiàng):①有限元模型的焊縫分布、材料屬性、邊界條件應(yīng)與試驗(yàn)一致;②提取有限元結(jié)果的位置應(yīng)與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置一致,并且區(qū)分殼單元計(jì)算結(jié)果的TOP面與BOTTOM面,與應(yīng)變片位于同側(cè)。

兩種工況下不同建模方案的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖5。對(duì)比兩種有限元建模方案, 方案1的分析結(jié)果均大于試驗(yàn)值,方案2的分析結(jié)果部分大于試驗(yàn)值,部分小于試驗(yàn)值。方案1的計(jì)算結(jié)果更保守。

(a) 車(chē)鉤壓縮工況

對(duì)比不同位置測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果,方案1、方案2在牽引梁的兩層板件結(jié)構(gòu)位置,4個(gè)測(cè)點(diǎn)的方向應(yīng)力與試驗(yàn)值的誤差分別為9%～21%、7%～52%;方案1、方案2在遠(yuǎn)離牽引梁的兩層板件結(jié)構(gòu)位置,2個(gè)測(cè)點(diǎn)的方向應(yīng)力與試驗(yàn)值的誤差分別為4%～13%、8%～18%。在牽引梁的兩層板件結(jié)構(gòu)位置,方案1的分析誤差更小。在遠(yuǎn)離牽引梁的兩層板件結(jié)構(gòu)位置,兩種方案的分析誤差接近,但方案1的結(jié)果更精確。

5 結(jié)論

本文針對(duì)鋁合金地鐵車(chē)牽引梁結(jié)構(gòu)與車(chē)體底架之間的安裝特點(diǎn),提出兩種不同的建模方案,將6個(gè)測(cè)點(diǎn)的仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,得到以下結(jié)論:

(1)采用殼單元模擬牽引梁與地板之間的雙層板件結(jié)構(gòu)的焊接關(guān)系(方案1)比采用Rigid位移耦合單元(方案2)保守,方案1更適用于設(shè)計(jì)階段校核車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)對(duì)于牽引梁與地板之間的雙層板件結(jié)構(gòu)位置的測(cè)點(diǎn),兩種方案的方向應(yīng)力分析結(jié)果與試驗(yàn)值的誤差分別為9%～21%、7%～52%,方案1的建模方案更合理;遠(yuǎn)離牽引梁與地板之間的雙層板件結(jié)構(gòu)位置的測(cè)點(diǎn),兩種方案的方向應(yīng)力分析結(jié)果誤差分別為4%～13%、8%～18%,兩種方案的分析誤差接近,但方案1的結(jié)果更精確。