袁國(guó)慶,張光利,王海靜,婁朋超,代魯平,吳航宇

(1.中車(chē)山東機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司,山東 濟(jì)南 250022;2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 豐臺(tái)車(chē)輛段,北京 100024)

由中車(chē)山東機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司制造的某出口自發(fā)電長(zhǎng)大家畜車(chē)在標(biāo)準(zhǔn)軌距線路上使用,主要用于裝運(yùn)牛、豬、羊、雞、鴨等活口家畜家禽。與以往的諸如J1～J6及PJ、PJ2、PJ3等型號(hào)的家畜車(chē)[1-2]相比,該新造家畜車(chē)具有車(chē)型長(zhǎng)、載重大、運(yùn)輸貨物多樣化等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也對(duì)車(chē)體剛度、強(qiáng)度的安全可靠性提出了更高的要求。軌道車(chē)輛為大型的空間焊接結(jié)構(gòu),采用CAE技術(shù)可對(duì)車(chē)輛的強(qiáng)度性能及安全可靠性進(jìn)行快速評(píng)估及優(yōu)化改進(jìn)[3]。本文以某出口自發(fā)電長(zhǎng)大家畜車(chē)為研究對(duì)象,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019《機(jī)車(chē)車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 車(chē)體 第2部分:貨車(chē)車(chē)體》規(guī)定的載荷工況及評(píng)估準(zhǔn)則,對(duì)車(chē)體進(jìn)行靜強(qiáng)度及剛度計(jì)算,對(duì)底架、側(cè)墻、車(chē)頂?shù)汝P(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過(guò)樣車(chē)試驗(yàn)對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證。

1 車(chē)體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

車(chē)體為全鋼焊接整體承載結(jié)構(gòu),由底架、上層底架、端側(cè)墻、隔墻、柵欄墻及車(chē)頂?shù)炔考M成。底架由中梁、側(cè)梁、枕梁、端梁、大小橫梁、鋼地板組焊而成,中梁由310熱軋乙字型鋼組焊成“幾”形梁結(jié)構(gòu),側(cè)梁為冷彎型鋼組焊成的魚(yú)腹形結(jié)構(gòu),中側(cè)梁材質(zhì)均為Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼。端側(cè)墻主要由上側(cè)梁、立柱、斜撐、腰帶、柵欄、墻板等組成,其中扁鋼柵欄材質(zhì)為Q235B,端側(cè)墻其余型鋼板材主要為Q345NQR2。車(chē)頂為5段折彎板梁結(jié)構(gòu),主要由邊梁、端梁、彎梁、縱梁等組焊而成,梁結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)為Q355B。車(chē)體主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 車(chē)體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 車(chē)體有限元模型

建立該車(chē)體有限元計(jì)算模型時(shí),進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化,凡是對(duì)該車(chē)整體剛度及局部強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu),都予以考慮,模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)等薄殼單元為主,與梁?jiǎn)卧鍐卧啾?殼單元由于考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng),因而具有更高的計(jì)算精度[4]。整車(chē)有限元模型的單元總數(shù)為693 323,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為780 612。車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

圖1 車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 計(jì)算載荷工況

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的要求,作用在車(chē)體上的載荷有以下6種:

(2) 垂向動(dòng)載荷:垂向動(dòng)載荷由垂向靜載荷乘以垂向動(dòng)載荷系數(shù)計(jì)算得出。

其中,垂向動(dòng)荷系數(shù)Kdy計(jì)算如式(1)所示:

(1)

式中:fj為車(chē)輛在垂向靜載荷下的彈簧當(dāng)量靜撓度,取值為52.2 mm;v為商業(yè)運(yùn)行速度;a、b、c、d為家畜車(chē)的計(jì)算系數(shù),a=1.500、b=0.050、c=0.427、d=1.650。

計(jì)算得出垂向動(dòng)載荷Fcd=Fcj·Kdy=630.79×0.24=151.39 kN。

(3) 側(cè)向力:側(cè)向力按照增加垂向靜載荷的10%來(lái)計(jì)算。

(4) 縱向力:第一工況中,縱向拉伸力為1 125 kN,縱向壓縮力為1 400 kN;第二工況中,縱向壓縮力為2 250 kN。

(5) 扭轉(zhuǎn)載荷:扭轉(zhuǎn)載荷取值為40 kN·m。

(6) 頂車(chē)載荷:在車(chē)體任何一端枕梁的兩側(cè),頂起滿載的車(chē)體。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的規(guī)定并結(jié)合該車(chē)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),車(chē)體承受的組合工況見(jiàn)表2。

表2 組合工況匯總表

2.3 評(píng)估準(zhǔn)則

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的要求,在第一工況、第二工況、頂車(chē)工況下車(chē)體各部件的利用率應(yīng)不大于1,利用率U計(jì)算公式如式(2)所示:

(2)

式中:σc為計(jì)算或試驗(yàn)應(yīng)力,MPa;S為安全系數(shù);R為屈服極限,MPa。

車(chē)體各部件材質(zhì)在各工況下的性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 車(chē)體材質(zhì)各工況下的性能參數(shù)表

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019,該車(chē)為整體承載結(jié)構(gòu),車(chē)體垂向彎曲剛度采用撓跨比評(píng)價(jià)如式(3)、式(4)所示:

fz/l2≤1/1 500

(3)

fc/l2≤1/2 000

(4)

式中:fz、fc分別為中梁、側(cè)梁中央撓度,mm;l2為車(chē)輛定距,mm。

在垂向靜載荷作用下,中梁撓度不應(yīng)超過(guò)21 200/1 500=14.13 mm;側(cè)梁撓度不應(yīng)超過(guò)21 200/2 000=10.6 mm。

3 車(chē)體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)體剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

在垂向靜載荷作用下,家畜車(chē)車(chē)體剛度初步計(jì)算結(jié)果如圖2所示,可以看出,側(cè)梁變形為11.6 mm,超側(cè)梁變形許用值10.6 mm,不滿足剛度要求。為提高底架剛度,將等截面槽鋼側(cè)梁更改為變截面魚(yú)腹形側(cè)梁,增大側(cè)梁橫斷面尺寸,結(jié)構(gòu)更改后的剛度計(jì)算結(jié)果如圖3所示,側(cè)梁變形為9.5 mm,低于許用值,車(chē)體剛度改善明顯,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 車(chē)體剛度初步計(jì)算結(jié)果

圖3 底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后剛度計(jì)算結(jié)果

3.2 車(chē)體側(cè)墻強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

在第一壓縮組合工況下,車(chē)體側(cè)墻強(qiáng)度初步計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可知,側(cè)墻斜撐、立柱等主要支撐結(jié)構(gòu)(材料為Q345NQR2)應(yīng)力均超許用值216 MPa,斜撐根部處扁鋼(材料為Q235B)應(yīng)力超許用值161 MPa,側(cè)墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏弱,不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖4 車(chē)體側(cè)墻強(qiáng)度初步計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)家畜車(chē)進(jìn)行受力分析,斜撐為側(cè)墻主要承載結(jié)構(gòu)且受力復(fù)雜,側(cè)墻根部扁鋼在斜撐、立柱的拉壓作用下,在焊縫處造成應(yīng)力集中?，F(xiàn)通過(guò)優(yōu)化斜撐和扁鋼結(jié)構(gòu)提高側(cè)墻強(qiáng)度,將側(cè)墻斜撐由角鋼更換為槽鋼,提高側(cè)墻斜撐整體強(qiáng)度,同時(shí)在斜撐根部加補(bǔ)板組成箱形結(jié)構(gòu),進(jìn)而對(duì)側(cè)墻斜撐進(jìn)行局部加強(qiáng);將側(cè)墻底部的3根扁鋼更換為板材,形成板梁結(jié)構(gòu)。對(duì)優(yōu)化后的側(cè)墻進(jìn)行強(qiáng)度校核,在第一壓縮組合工況下,側(cè)墻應(yīng)力結(jié)果如圖5所示,可以看出,側(cè)墻斜撐最大應(yīng)力為195.15 MPa,低于許用值216 MPa,側(cè)墻扁鋼最大應(yīng)力為153.73 MPa,低于許用值161 MPa,優(yōu)化后側(cè)墻強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 側(cè)墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化后強(qiáng)度結(jié)果

3.3 車(chē)頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

家畜車(chē)車(chē)頂初步方案采用圓弧車(chē)頂,該車(chē)頂方案結(jié)構(gòu)如圖6所示。圓弧車(chē)頂方案車(chē)體的剛度和強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的要求,但從工藝制造的角度考慮,該圓弧車(chē)頂彎梁均為角鋼且數(shù)量較多,角鋼不易折彎,且折彎后對(duì)接精度不好保證,仍需對(duì)車(chē)頂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以降低工藝制造難度,提高生產(chǎn)效率。

圖6 家畜車(chē)圓弧車(chē)頂結(jié)構(gòu)圖

保持車(chē)頂端梁和邊梁結(jié)構(gòu)不變,家畜車(chē)圓弧頂方案改為折彎頂,折彎頂方案相對(duì)于圓弧頂方案易出現(xiàn)超限界問(wèn)題,將車(chē)頂方案改為5段折彎車(chē)頂后,對(duì)車(chē)體進(jìn)行限界檢查;縱梁結(jié)構(gòu)采用5列縱向角鋼梁,并移至橫梁折彎角處;彎梁結(jié)構(gòu)采用角鋼與扁鋼相間分布的布置方式,車(chē)頂優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖7所示。經(jīng)有限元分析計(jì)算,折彎頂方案車(chē)體剛度和強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的要求。

圖7 家畜車(chē)車(chē)頂優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖

4 車(chē)體優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 車(chē)體剛度結(jié)果

家畜車(chē)經(jīng)底架、側(cè)墻、車(chē)頂?shù)汝P(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,在垂向剛度工況下,車(chē)體中梁的最大變形為8.3 mm,車(chē)體側(cè)梁的最大變形為8.1 mm,均低于相應(yīng)的撓度許用值,滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的剛度要求,車(chē)體變形如圖8所示。

圖8 剛度工況變形圖

4.2 車(chē)體強(qiáng)度結(jié)果

車(chē)體在各合成工況下的應(yīng)力結(jié)果如表4所示,由表4可知,車(chē)體在各計(jì)算工況下材料的利用率均小于1,符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的要求。由于篇幅限制僅展示第一拉伸組合工況的應(yīng)力結(jié)果,如圖9所示。

圖9 第一拉伸組合工況應(yīng)力結(jié)果

表4 各計(jì)算工況車(chē)體應(yīng)力匯總 MPa

4.3 車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

樣車(chē)試制完成后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019對(duì)車(chē)體進(jìn)行了靜強(qiáng)度和剛度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,車(chē)體靜強(qiáng)度和剛度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。選取第一壓縮組合工況,對(duì)車(chē)體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力進(jìn)行仿真和試驗(yàn)對(duì)比分析,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可知,仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比誤差在10%以內(nèi),誤差在可接受范圍內(nèi),從而說(shuō)明有限元分析模型具有一定的可靠性,方案設(shè)計(jì)階段采用仿真方法進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案同樣具有一定的可信度。

表5 第一壓縮組合工況部分關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)仿真和試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某出口自發(fā)電長(zhǎng)大家畜車(chē)車(chē)體進(jìn)行有限元分析計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得出以下結(jié)論:

(1) 家畜車(chē)車(chē)體底架、側(cè)墻、車(chē)頂?shù)汝P(guān)鍵結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后,車(chē)體的靜強(qiáng)度和剛度均滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的要求;

(2) 樣車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明,車(chē)體靜強(qiáng)度和剛度均滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3550.2—2019的要求,且車(chē)體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度結(jié)果仿真與試驗(yàn)對(duì)比誤差在可接受范圍內(nèi),從而驗(yàn)證了有限元分析模型的可靠性,基于此分析模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)方案同樣具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性;

(3) 在方案設(shè)計(jì)階段,通過(guò)有限元方法對(duì)車(chē)體進(jìn)行強(qiáng)度分析,可在樣車(chē)試制之前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,并通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案予以解決,極大地提高了樣車(chē)強(qiáng)度試驗(yàn)通過(guò)率,縮短了研發(fā)周期。