某不銹鋼車水箱安裝框架強度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉莉

摘要：文章對某不銹鋼車的水箱安裝框架結(jié)構(gòu)進行了有限元靜強度分析，參考靜強度計算結(jié)果，對安裝框架進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進行了有限元靜強度分析和疲勞強度分析，結(jié)果表明，優(yōu)化方案滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

關(guān)鍵詞：不銹鋼車；水箱；安裝框架；框架強度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U469 文章編號：1009-2374（2016）30-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.015

1 概述

某不銹鋼車水箱安裝框架在設(shè)計過程中采用了大量的角焊縫，為了保證車輛在運行過程中水箱結(jié)構(gòu)的安全可靠，需要對水箱滿載狀態(tài)安裝框架結(jié)構(gòu)的強度以及焊縫的疲勞強度進行仿真分析和校核。文章采用有限元法對該不銹鋼車的水箱安裝框架結(jié)構(gòu)進行了有限元靜強度分析。在分析過程中，對安裝框架進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對優(yōu)化方案進行了有限元靜強度分析和疲勞強度分析，結(jié)果表明，優(yōu)化方案滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

2 水箱安裝框架結(jié)構(gòu)及靜強度分析

2.1 水箱安裝框架結(jié)構(gòu)

某不銹鋼車的水箱安裝框架結(jié)構(gòu)由矩形管、C型梁、扇形板、連接板、彎梁等組成，每個水箱通過8個螺栓兩端固定在矩形管上。水箱安裝框架（帶部分車體）初始有限元模型如圖1（a）所示。按照相關(guān)要求，在進行仿真分析計算時按照每個不銹鋼水箱554kg計算。

（a）水箱安裝框架初始有限元模型（b）優(yōu)化方案有限元模型

圖1 水箱安裝框架有限元模型

2.2 有限元模型

某不銹鋼車的水箱安裝框架結(jié)構(gòu)及部分車頂主體采用板殼單元（shell181）進行離散，用實體單元（SOLID185）模擬塞焊連接。在Hyper Mesh軟件中首先抽取三維幾何模型的中面，將三維實體幾何模型轉(zhuǎn)化二維中面幾何模型，使用殼單元建立有限元模型。模型共劃分了182054個單元、179908個節(jié)點，如圖1（a）所示。

2.3 材料特性

模型中除矩形管的材質(zhì)為X5CrNi18-10，波紋板的材質(zhì)為SUS301L-3/4H（屈服強度≥480MPa，抗拉強度≥820MPa），其余結(jié)構(gòu)如C型梁、連接板、彎梁等材質(zhì)均為SUS301L-1/2H（屈服強度≥410MPa，抗拉強度≥760MPa）。其中模型中所用材料的密度均為7850kg/m3，彈性模量206GPa，泊松比0.3。

2.4 邊界條件和計算工況

在車頂四周施加約束，約束節(jié)點的6個自由度。依據(jù)UIC 566標(biāo)準(zhǔn)，計算靜強度時工況為縱向（X向）5g、橫向（Y向）1g、垂向（Z向）3g。

2.5 疲勞強度計算工況

考慮到該不銹鋼車的水箱安裝框架結(jié)構(gòu)的不對稱性，根據(jù)EN12663-1標(biāo)準(zhǔn)，水箱安裝框架疲勞強度的加載工況如表1所示：

2.6 靜強度計算結(jié)果分析

在2.4節(jié)邊界條件和計算工況作用下，水箱安裝框架的靜強度計算結(jié)果如圖2所示。其中最大應(yīng)力為1211.48MPa，大于屈服強度410MPa，發(fā)生在多孔連接板和扇形板之間的塞焊位置。

分析結(jié)果可以看出：在2.4節(jié)邊界條件和計算工況作用下，多孔連接板和扇形板之間塞焊位置的應(yīng)力值超過了強度許用應(yīng)力值，此方案下水箱安裝框架結(jié)構(gòu)靜強度不滿足要求。

3 優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案的水箱安裝框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)2.6節(jié)中的靜強度計算結(jié)果，分析討論后提出以下的優(yōu)化方案。在優(yōu)化方案中新增了C型斜梁和方管。新增的C型斜梁材質(zhì)為X5CrNi18-10（屈服強度≥230MPa，抗拉強度540～750MPa），新增的方管材質(zhì)為SUS301L-1/2H。優(yōu)化方案的水箱安裝框架有限元模型如圖1（b）所示。

3.2 優(yōu)化方案的水箱安裝框架有限元模型

建立優(yōu)化方案的水箱安裝框架結(jié)構(gòu)的有限元模型方法同2.2，模型共劃分了191148個單元，193782個節(jié)點，如圖1（b）所示。

3.3 優(yōu)化方案水箱安裝框架靜強度計算結(jié)果分析

在2.3節(jié)～2.4節(jié)相同的材料特性、邊界條件和靜強度計算工況作用下，優(yōu)化方案水箱安裝框架的靜強度計算結(jié)果如圖3所示。其中最大應(yīng)力為243.801MPa，小于屈服強度為410MPa，發(fā)生在多孔連接板和扇形板之間的塞焊位置。

對應(yīng)力結(jié)果分析可以看出：

在2.4節(jié)邊界條件和計算工況作用下，多孔連接板和扇形板之間的塞焊位置的應(yīng)力小于強度許用應(yīng)力值，此方案下水箱安裝框架結(jié)構(gòu)靜強度滿足要求。

3.4 優(yōu)化方案水箱安裝框架疲勞強度計算分析

根據(jù)《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》（TB/T2368-2005）附錄D中的B12/RP17提供的鋼材疲勞極限圖對水箱安裝框架進行疲勞強度評估，基于水箱安裝框架所用的材料，疲勞極限圖采用抗拉強度≮520MPa的疲勞極

限圖。

優(yōu)化方案的不銹鋼車水箱安裝框架在2.5節(jié)10種疲勞強度計算載荷工況作用下，對水箱安裝框架的關(guān)鍵焊縫的應(yīng)力因數(shù)進行分析。圖4表示水箱安裝框架焊縫的位置以及計算應(yīng)力與許用應(yīng)力的比較。水箱安裝框架焊縫區(qū)域的最大應(yīng)力因數(shù)為0.368，根據(jù)EN15085-3，應(yīng)力因數(shù)<0.75，應(yīng)力等級為低級。該水箱安裝框架滿足疲勞強度要求。

4 結(jié)語

（1）對比應(yīng)力結(jié)果分析可以看出：水箱安裝框架采用優(yōu)化方案，在縱向5g、橫向1g、垂向3g的載荷工況下，滿足靜強度要求，優(yōu)化方案可行，這可為工業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論參考依據(jù)；（2）優(yōu)化方案中，水箱安裝框架在10種疲勞強度計算載荷工況作用下，焊縫區(qū)域的最大應(yīng)力因數(shù)為0.368，根據(jù)EN15085-3標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力因數(shù)<0.75，應(yīng)力等級為低級。優(yōu)化方案下該水箱安裝框架滿足疲勞強度要求。

參考文獻

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