一種新型鐵路客車車體靜強度分析

賈志言+王智群+李志申

摘要 ： 分析該種新型鐵路客車車輛車體結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，建立了車體結(jié)構(gòu)的有限元模型。結(jié)合該客車車輛的實際運行狀態(tài)，確定了垂向載荷、縱向拉伸、縱向壓縮、扭轉(zhuǎn)等7種工況，并分析了車體結(jié)構(gòu)在各個工況下產(chǎn)生的應(yīng)力，以判斷其靜強度是否滿足運輸要求。為車體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞壽命分析提供參考。

關(guān)鍵詞： 新型鐵路客車車輛；車體結(jié)構(gòu)；靜強度；有限元模型

1 前言

該種新型鐵路客車車輛主要由車體、轉(zhuǎn)向架和各種電氣設(shè)備組成。其中，車體主要承擔裝載乘客和各種電氣設(shè)備安裝基礎(chǔ)兩大功能，同時也承受著在各種運行工況下乘客和電氣設(shè)備所產(chǎn)生的附加力。車體的強度是反映車體性能的重要技術(shù)指標，強度不夠，將使車體結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件在早期出現(xiàn)裂紋和疲勞斷裂等，從而大大影響車輛的整體性能。對車體靜態(tài)下的強度進行計算和分析，是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。本文利用有限元分析軟件，針對該種車輛的典型運行工況，提出了相應(yīng)載荷及邊界約束條件施加的實現(xiàn)方法，并對跨坐式單軌車輛頭車車體結(jié)構(gòu)進行了靜強度分析，得到了該車體的應(yīng)力分布。通過合理選擇車體結(jié)構(gòu)形式及尺寸參數(shù)，可使車體具備良好的靜態(tài)特性。

2 車體結(jié)構(gòu)及參數(shù)

該種車輛車體主要由車頂、側(cè)墻、一位端墻、二位端墻、底架等組成，如圖1所示。整個車體采用耐候鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要的承載部件采用耐候鋼中屈服強度較高的鋼板材質(zhì)。車頂和側(cè)墻主要采用大型寬幅耐候鋼板和骨架梁排結(jié)構(gòu)，側(cè)墻在適當?shù)牡胤郊友a強梁，車頂則用加橫向彎梁的方法起到加強的作用。一、二位端墻由于要承受縱向拉伸和壓縮，采用雙層骨架結(jié)構(gòu)。具體車體鋼結(jié)構(gòu)外觀見圖1所示

車頂、側(cè)墻、一位端墻、二位端墻、底架等四大部件相互連接后整車成中空筒行結(jié)構(gòu)，具體車體的主要外形尺寸及質(zhì)量如表1所示。

3 車體有限元模型的建立

3.1 建立有限元模型

利用建立好的跨坐式單軌車輛頭車車體三維幾何模型，以及軟件提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，以適當?shù)臄?shù)據(jù)格式將其轉(zhuǎn)換到有限元分析軟件中，并對其結(jié)構(gòu)進行離散。采用該方法進行有限元建模時，有必要在有限元分析軟件中對模型進行幾何清理，修正幾何之間的拓撲關(guān)系，以便進一步劃分網(wǎng)格。整個車體主要采用板殼單元模擬，側(cè)門上角及端門補強角采用實體網(wǎng)格，空簧、心盤、枕內(nèi)外頂車位、端墻加載區(qū)域等處設(shè)rbe3單元，車鉤安裝區(qū)域設(shè)置rigid單元，如圖2～3所示。車體坐標系方向如圖2所示：X向——車體縱向，正方向由一位端指向二位端，Y向——垂直方向，正方向垂直向上，Z向——車體橫向，與X、Y構(gòu)成右手系。有限元模型如圖2所示。

3.2 確定工況及加載參數(shù)

根據(jù)該種客車車輛的實際運行狀態(tài)，確定了垂向載荷、縱向拉伸、縱向壓縮、扭轉(zhuǎn)等9種工況，無論何種工況，車體都將承受安裝在其上的各種設(shè)備的質(zhì)量。車體配備的主要設(shè)備的質(zhì)量見表2。7種工況具體見表3

4 靜強度計算結(jié)果

按照上述各個工況下載荷和邊界條件的施加情況，對車體結(jié)構(gòu)進行靜強度分析計算。車體在15種工況作用下的最大應(yīng)力值及相應(yīng)的部位見表4所示。部分應(yīng)力云圖如圖4～8所示

5 結(jié)語

5.1 該種筒型車體有著本身的結(jié)構(gòu)特點，焊接是車體的主要連接方式，使用板殼單元模擬車體結(jié)構(gòu)的有限元處理方法是車體靜強度分析的有效方法；

5.2 通過對該種新型車輛車體的靜強度計算分析，可得出以下結(jié)論：強度各工況下，端墻立柱，波紋地板與橫梁連接處等區(qū)域存在較高計算應(yīng)力，可適當進行補強。

參考文獻：

[1] UIC 566-1990《客車車體及其部件的載荷》[S]

[2]楊明，楊燕榮.TR08磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)靜強度計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機車車輛工藝，2004（8）：4.

[3]龔明，丁叁叁.城市軌道車輛不銹鋼車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化探索[J].鐵道車輛.2009（7）：16.