小質(zhì)量電機(jī)車車體結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

【摘 要】本文重點(diǎn)闡述了小質(zhì)量電機(jī)車車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了如何利用有限元軟件對其進(jìn)行校核和優(yōu)化，提出改良方案，對類似產(chǎn)品有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】質(zhì)量；電動(dòng)車；結(jié)構(gòu)分析

0 前言

在地鐵盾構(gòu)施工中，電機(jī)車、沙漿車、渣土車、管片車等組成盾構(gòu)掘進(jìn)的后配輔助部分，是盾構(gòu)機(jī)正常工作的必備條件，而電機(jī)車在整個(gè)盾構(gòu)后配套系統(tǒng)中起到了主要的牽引和連接作用。在一般情況下，電機(jī)車一般有重量要求，而且要求質(zhì)量足夠大而防止打滑，然而，為了適應(yīng)各種地鐵施工環(huán)境，在盾構(gòu)機(jī)開挖直徑減少和所需牽引力減小的同時(shí)，其盾構(gòu)后配套產(chǎn)品也往輕量化發(fā)展，這就要求其后配套產(chǎn)品在質(zhì)量上有所控制。

1 電機(jī)車車體基本結(jié)構(gòu)

電機(jī)車車體主要由左右側(cè)板，前后端板，前后電機(jī)座，前后車鉤座，司機(jī)室底座，電瓶托座等組成。由于大部分情況下，要求電機(jī)車整車質(zhì)量達(dá)到30噸、45噸或更大，因此機(jī)車車體的基本結(jié)構(gòu)板厚均用上厚板，且要適當(dāng)增加配重以達(dá)到要求重量。在這種情況下，機(jī)車車體一般不需進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，因?yàn)殡姍C(jī)車本身承載不大，牽引為主，強(qiáng)度一般不是問題，而在板厚夠厚的情況下，剛度和穩(wěn)定性也相對較強(qiáng)。然而，在整機(jī)質(zhì)量要求在20噸或15噸之內(nèi)的情況下，車體結(jié)構(gòu)作為電機(jī)車的主要鋼結(jié)構(gòu)，其重量直接影響整機(jī)重量，因此車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化減重就顯得格外重要。

2 車體結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 有限元模型建立

車體有限元計(jì)算選用大型通用有限元軟件ANSYS，而有限元模型建立的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果的正確和合理與否，所以車體結(jié)構(gòu)計(jì)算的關(guān)鍵第一步就是對車體結(jié)構(gòu)的進(jìn)行合理簡化，得到最接近實(shí)際情況的有限元模型。

2.1.1 車體結(jié)果模型的簡化

根據(jù)車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分析目的和結(jié)構(gòu)的受力特性，簡化第一步就是要對實(shí)體模型進(jìn)行降維。降維是指將三維模型簡化成二維或一維模型，這種簡化的前提是，當(dāng)某一個(gè)方向或某兩個(gè)方向的尺寸小于其他方向的尺寸時(shí)就可以板或者桿。電機(jī)車車體結(jié)構(gòu)大部分由板件焊接而成，因此選用SHELL63單元進(jìn)行模擬。

2.1.2 模型離散化

采用SHELL單元對模型各構(gòu)件進(jìn)行屬性附值后，就要對各板面進(jìn)行單元離散化，形成最終的有限元模型。網(wǎng)格的劃分通常有兩種形式，一種是映射網(wǎng)格劃分，一種是自由網(wǎng)格劃分。映射網(wǎng)格劃分對形狀要求高，必須是規(guī)則形狀，否則會(huì)失效，所以需要大量的時(shí)間，但是網(wǎng)格劃分質(zhì)量高，可以保證計(jì)算精度，而自由網(wǎng)格劃分則相反，耗時(shí)短，工作量小，但可能出現(xiàn)質(zhì)量很差的單元，會(huì)影響計(jì)算精度。 電機(jī)車車體結(jié)構(gòu)大部分板件都是不規(guī)則形狀，如果采取映射網(wǎng)格劃分，將會(huì)大大增加工作量，所以采用映射網(wǎng)格和自由網(wǎng)格相結(jié)合的方式來對整機(jī)模型進(jìn)行劃分，是比較合理的。對于自由網(wǎng)格劃分，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，也是能得到較好的單元模型的。

在進(jìn)行以上兩步工作之后，得到的有限元模型如圖1所示。

2.2 邊界條件的施加

由于電機(jī)車本身有牽引和推動(dòng)的作用，因此簡化為四輪相對地面不動(dòng)，而由前后牽引座上牽引銷來傳力。此外，由于車體結(jié)構(gòu)本身還承擔(dān)司機(jī)室，電機(jī)減速機(jī)，電池箱的自重，因此這些自重產(chǎn)生的力也以外力形式加載于車體結(jié)構(gòu)上。當(dāng)然，用質(zhì)量點(diǎn)單元進(jìn)行模擬也未嘗不可，只是這樣會(huì)多一種單元，而且對結(jié)果影響也不大。

由于本次計(jì)算的目的是查看整車車體結(jié)構(gòu)受力情況，所以車輪與懸掛機(jī)構(gòu)未在有限元模型中建出，而邊界約束需要加載于車輪之上，所以用梁單元將車輪中心與懸掛支座上墊塊連接起來以便傳遞邊界約束，如圖1有限元模型所示。

考慮到車輪在軌道上可能產(chǎn)生一定程度的滑動(dòng)，雖然本機(jī)車四個(gè)車輪都是主動(dòng)輪，在約束邊界的施加上，仍然考慮前輪線位移全約束，而后輪與前輪不同在于釋放掉軌道方向線位移，這是一種偏安全的簡化，可以得到較為保守的計(jì)算結(jié)果。

2.3 計(jì)算工況與計(jì)算結(jié)果

第一種工況，考慮機(jī)車尾部拖重物，啟動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3。

第二種工況，機(jī)車制動(dòng)工況，考慮基礎(chǔ)制動(dòng)和防溜制動(dòng)同時(shí)作用，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5。

3 結(jié)果分析及優(yōu)化

從以上圖片可知，在工況一下，最大應(yīng)力為100.154Mpa，最大撓度為2.342mm，而在工況二下，最大應(yīng)力達(dá)到201.755Mpa，最大撓度為2.529mm。電機(jī)車板件采用的Q235B，安全系數(shù)取1.33，則許用應(yīng)力應(yīng)不大于235/1.33=176Mpa。仔細(xì)觀察工況二下的應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)大應(yīng)力集中于防溜制動(dòng)板件上，而車體其他部分應(yīng)力都比較小。因此，在應(yīng)力大的局部區(qū)域可以做局部加強(qiáng)。而本次計(jì)算的重要目的還有要減重。從應(yīng)力云圖看，大部分的區(qū)域應(yīng)力都不大，但還要考慮整體的剛度和穩(wěn)定性，因此，最有可為的就是司機(jī)室底座可將板厚適當(dāng)減薄。而車體的兩側(cè)板是不易減輕厚度的，因?yàn)榘寮旧聿缓?，而且它是主要承載件和連接件，如果厚度不夠可能會(huì)造成局部失穩(wěn)。

適當(dāng)修改防溜制動(dòng)座結(jié)構(gòu)，并將車體其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，再次進(jìn)行校核，得到計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，優(yōu)化之后最大應(yīng)力值為152.604MPa，最大撓度為2.704mm，均符合設(shè)計(jì)要求。在強(qiáng)度和剛度都滿足要求后，需要對其穩(wěn)定性進(jìn)行校核。由于圖片較多，現(xiàn)挑選幾階典型振形列圖如下：

由以上振形圖可知，結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)的地方不會(huì)影響整車，因此穩(wěn)定性校核通過。

4 結(jié)論

通過本次計(jì)算，可以看出質(zhì)量輕的電機(jī)車在設(shè)計(jì)過程中仍然有許多不足。調(diào)整過后，雖然強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，可是在防溜制動(dòng)座周圍，以及防溜制動(dòng)底板設(shè)計(jì)過強(qiáng)，應(yīng)反思防溜制動(dòng)是否需要如此大的制動(dòng)力。司機(jī)室底板板厚減薄以減輕整車重量，是否可以考慮調(diào)整司機(jī)室底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以免讓整車結(jié)構(gòu)頭重腳輕。穩(wěn)定性計(jì)算雖然通過校核，可電機(jī)車在實(shí)際使用過程中，可能出現(xiàn)輕微碰撞，因此車體側(cè)板和前后端板不宜過度薄弱，在優(yōu)化減重過程中，或許改結(jié)構(gòu)比直接改板厚來得有效。

[責(zé)任編輯：周娜]