某型號(hào)時(shí)速250 km的不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

蒼 松

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，沈陽(yáng) 110023）

車(chē)輛在高速運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)載荷對(duì)車(chē)體強(qiáng)度有很大影響，特別是在通過(guò)隧道、高速會(huì)車(chē)及受到強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響時(shí)，車(chē)體將承受相當(dāng)大的氣動(dòng)載荷，這就對(duì)高速列車(chē)的車(chē)體強(qiáng)度提出了更高的要求。本文研究的250 km/h高速鐵路客車(chē)車(chē)體采用不銹鋼點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)。不銹鋼具有耐腐蝕、外形美觀(guān)、使用壽命長(zhǎng)、重量輕、強(qiáng)度高、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外大部分高速鐵路客車(chē)及地鐵車(chē)輛均采用不銹鋼作為車(chē)體材料。本文參照EN12663標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該型鐵路客車(chē)頭車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的有限元分析，以確定該車(chē)體是否滿(mǎn)足要求。

1 客車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)特征

不銹鋼具有高電阻率、低熱導(dǎo)率，大膨脹系數(shù)等特征，在高溫焊接時(shí)，其散熱慢而變形大，因此在組焊過(guò)程中不宜使用電弧焊而采用點(diǎn)焊。點(diǎn)焊的車(chē)體是點(diǎn)傳力結(jié)構(gòu)，當(dāng)車(chē)體承受外部載荷后，載荷通過(guò)焊點(diǎn)將力傳遞到車(chē)體其它部位，產(chǎn)生車(chē)體各個(gè)部位的應(yīng)力形變。不銹鋼點(diǎn)焊客車(chē)車(chē)體承載結(jié)構(gòu)主要由底架、側(cè)墻、端墻、車(chē)頂?shù)蠕摻Y(jié)構(gòu)大部件焊接而成。車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度不銹鋼材料，強(qiáng)度高，塑性好，硬度適中。車(chē)體基本重量參數(shù)如表1和表2所示。

2 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表1 車(chē)體基本重量

表2 車(chē)體結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

（1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7928-2003，軌道車(chē)輛在最大垂直靜載荷作用下車(chē)體靜撓度不超過(guò)兩轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn)之間距離的1‰。該車(chē)輛定距為19 000 mm，因此，車(chē)體最大撓度不能超過(guò)19 mm。

（2）車(chē)體靜強(qiáng)度有限元分析評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和安全系數(shù)的選取均依據(jù)EN12663。車(chē)體在各計(jì)算工況作用下的應(yīng)力均不得大于車(chē)體該部位所用材料的許用應(yīng)力。

3 車(chē)體幾何模型及有限元模型

3.1 車(chē)體幾何模型建立

幾何模型的建立是根據(jù)實(shí)際車(chē)體等比例建模，主體結(jié)構(gòu)及型材的斷面尺寸都與實(shí)際車(chē)體一致。對(duì)部分不影響有限元分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了刪減，以簡(jiǎn)化建模工作量。主要建立與車(chē)體型材中面線(xiàn)框相對(duì)應(yīng)的、后續(xù)有限元分析真正需要的車(chē)體幾何模型。本次分析使用HYPERMESH建立對(duì)應(yīng)的車(chē)體三維模型及后續(xù)的劃分單元網(wǎng)格。

3.2 車(chē)體有限元模型建立

綜合分析不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)結(jié)構(gòu)“點(diǎn)傳力”特點(diǎn)、焊點(diǎn)數(shù)量以及軟件的可執(zhí)行性，車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)有限元模型以任意4節(jié)點(diǎn)等參殼體單元為主，3節(jié)點(diǎn)三角型單元為輔整車(chē)結(jié)構(gòu)的有限元模型中包含：節(jié)點(diǎn)877 455個(gè)、實(shí)體單元32 190個(gè)，殼體單元726 476個(gè)，焊點(diǎn)單元53 399個(gè)，質(zhì)量單元38 626個(gè)；定義仿真參數(shù)設(shè)定仿真工況；利用ANSYS求解器進(jìn)行有限元分析，車(chē)體有限元模型如圖1所示。

4 載荷工況和位移約束

參考EN12663，結(jié)合該不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)車(chē)體強(qiáng)度計(jì)算特點(diǎn)，制定出車(chē)體靜強(qiáng)度計(jì)算工況如表3所示。

部分載荷處理如下：整備車(chē)體自重以重力加速度的形式施加；壓縮力以一對(duì)方向相反的集中載荷形式分別施加在前后車(chē)鉤重心位置；乘客荷載均勻施加到地板上。

圖1 車(chē)體有限元模型圖

表3 車(chē)體載荷工況

5 靜強(qiáng)度結(jié)果分析

對(duì)該車(chē)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如下：在最大垂直靜載荷作用下，該車(chē)車(chē)體的最大撓度為14.253 mm，發(fā)生在地板中央處，車(chē)體底架邊梁和車(chē)體垂向位移云圖如圖2所示。部分工況最大位移和最大應(yīng)力如表4所示。

圖2 最大垂直靜載荷下的垂向位移云圖

（1）整備狀態(tài)下車(chē)鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結(jié)果云圖如圖3所示。

（2）最大載荷下車(chē)鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結(jié)果云圖如圖4所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算過(guò)程中對(duì)該種不銹鋼點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)車(chē)體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的分析計(jì)算，分別計(jì)算了各種工況下車(chē)體最大應(yīng)力所在部位和所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值，對(duì)比最大應(yīng)力處所使用材料的屈服強(qiáng)度，計(jì)算出了靜力安全系數(shù)，并最終提出優(yōu)化方案。優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果表明：各工況靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；在最大垂直靜載荷作用下，該車(chē)車(chē)體的最大撓度為15.217 mm，小于19 mm，滿(mǎn)足要求；結(jié)構(gòu)一階垂向彎曲振型頻率14.031 Hz；整備狀態(tài)下的一階垂向彎曲振型頻率9.426 Hz，滿(mǎn)足車(chē)輛的使用要求。

表4 部分工況最大位移和最大應(yīng)力

圖3 整備狀態(tài)下車(chē)鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結(jié)果云圖

圖4 最大載荷下車(chē)鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結(jié)果云圖

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