某出口自發電長大家畜車強度計算與結構優化設計

袁國慶,張光利,王海靜,婁朋超,代魯平,吳航宇

(1.中車山東機車車輛有限公司,山東 濟南 250022;2.中國鐵路北京局集團有限公司 豐臺車輛段,北京 100024)

由中車山東機車車輛有限公司制造的某出口自發電長大家畜車在標準軌距線路上使用,主要用于裝運牛、豬、羊、雞、鴨等活口家畜家禽。與以往的諸如J1～J6及PJ、PJ2、PJ3等型號的家畜車[1-2]相比,該新造家畜車具有車型長、載重大、運輸貨物多樣化等優點,同時也對車體剛度、強度的安全可靠性提出了更高的要求。軌道車輛為大型的空間焊接結構,采用CAE技術可對車輛的強度性能及安全可靠性進行快速評估及優化改進[3]。本文以某出口自發電長大家畜車為研究對象,依據標準TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體 第2部分:貨車車體》規定的載荷工況及評估準則,對車體進行靜強度及剛度計算,對底架、側墻、車頂等關鍵承載結構進行優化設計,并通過樣車試驗對車體結構進行強度驗證。

1 車體結構及主要技術參數

車體為全鋼焊接整體承載結構,由底架、上層底架、端側墻、隔墻、柵欄墻及車頂等部件組成。底架由中梁、側梁、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”形梁結構,側梁為冷彎型鋼組焊成的魚腹形結構,中側梁材質均為Q450NQR1高強度耐候鋼。端側墻主要由上側梁、立柱、斜撐、腰帶、柵欄、墻板等組成,其中扁鋼柵欄材質為Q235B,端側墻其余型鋼板材主要為Q345NQR2。車頂為5段折彎板梁結構,主要由邊梁、端梁、彎梁、縱梁等組焊而成,梁結構主要材質為Q355B。車體主要技術參數見表1。

表1 車體主要結構參數

2 車體結構有限元分析

2.1 車體有限元模型

建立該車體有限元計算模型時,進行了適當簡化,凡是對該車整體剛度及局部強度有貢獻的結構,都予以考慮,模型構成以任意四節點等薄殼單元為主,與梁單元、板單元相比,殼單元由于考慮了結構單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應,因而具有更高的計算精度[4]。整車有限元模型的單元總數為693 323,節點總數為780 612。車體結構有限元模型如圖1所示。

圖1 車體結構有限元模型

2.2 計算載荷工況

根據標準TB/T 3550.2—2019的要求,作用在車體上的載荷有以下6種:

(2) 垂向動載荷:垂向動載荷由垂向靜載荷乘以垂向動載荷系數計算得出。

其中,垂向動荷系數Kdy計算如式(1)所示:

(1)

式中:fj為車輛在垂向靜載荷下的彈簧當量靜撓度,取值為52.2 mm;v為商業運行速度;a、b、c、d為家畜車的計算系數,a=1.500、b=0.050、c=0.427、d=1.650。

計算得出垂向動載荷Fcd=Fcj·Kdy=630.79×0.24=151.39 kN。

(3) 側向力:側向力按照增加垂向靜載荷的10%來計算。

(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) 扭轉載荷:扭轉載荷取值為40 kN·m。

(6) 頂車載荷:在車體任何一端枕梁的兩側,頂起滿載的車體。

根據標準TB/T 3550.2—2019的規定并結合該車的實際運行狀態,車體承受的組合工況見表2。

表2 組合工況匯總表

2.3 評估準則

根據標準TB/T 3550.2—2019的要求,在第一工況、第二工況、頂車工況下車體各部件的利用率應不大于1,利用率U計算公式如式(2)所示:

(2)

式中:σc為計算或試驗應力,MPa;S為安全系數;R為屈服極限,MPa。

車體各部件材質在各工況下的性能參數見表3。

表3 車體材質各工況下的性能參數表

根據標準TB/T 3550.2—2019,該車為整體承載結構,車體垂向彎曲剛度采用撓跨比評價如式(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、側梁中央撓度,mm;l2為車輛定距,mm。

在垂向靜載荷作用下,中梁撓度不應超過21 200/1 500=14.13 mm;側梁撓度不應超過21 200/2 000=10.6 mm。

3 車體關鍵結構優化設計

3.1 車體剛度優化設計

在垂向靜載荷作用下,家畜車車體剛度初步計算結果如圖2所示,可以看出,側梁變形為11.6 mm,超側梁變形許用值10.6 mm,不滿足剛度要求。為提高底架剛度,將等截面槽鋼側梁更改為變截面魚腹形側梁,增大側梁橫斷面尺寸,結構更改后的剛度計算結果如圖3所示,側梁變形為9.5 mm,低于許用值,車體剛度改善明顯,滿足標準要求。

圖2 車體剛度初步計算結果

圖3 底架結構優化后剛度計算結果

3.2 車體側墻強度優化設計

在第一壓縮組合工況下,車體側墻強度初步計算結果如圖4所示。從圖4可知,側墻斜撐、立柱等主要支撐結構(材料為Q345NQR2)應力均超許用值216 MPa,斜撐根部處扁鋼(材料為Q235B)應力超許用值161 MPa,側墻結構強度偏弱,不滿足標準要求,需要進行結構優化。

圖4 車體側墻強度初步計算結果

通過對家畜車進行受力分析,斜撐為側墻主要承載結構且受力復雜,側墻根部扁鋼在斜撐、立柱的拉壓作用下,在焊縫處造成應力集中?，F通過優化斜撐和扁鋼結構提高側墻強度,將側墻斜撐由角鋼更換為槽鋼,提高側墻斜撐整體強度,同時在斜撐根部加補板組成箱形結構,進而對側墻斜撐進行局部加強;將側墻底部的3根扁鋼更換為板材,形成板梁結構。對優化后的側墻進行強度校核,在第一壓縮組合工況下,側墻應力結果如圖5所示,可以看出,側墻斜撐最大應力為195.15 MPa,低于許用值216 MPa,側墻扁鋼最大應力為153.73 MPa,低于許用值161 MPa,優化后側墻強度滿足標準要求。

圖5 側墻結構優化后強度結果

3.3 車頂結構優化設計

家畜車車頂初步方案采用圓弧車頂,該車頂方案結構如圖6所示。圓弧車頂方案車體的剛度和強度均滿足標準TB/T 3550.2—2019的要求,但從工藝制造的角度考慮,該圓弧車頂彎梁均為角鋼且數量較多,角鋼不易折彎,且折彎后對接精度不好保證,仍需對車頂進行結構優化,以降低工藝制造難度,提高生產效率。

圖6 家畜車圓弧車頂結構圖

保持車頂端梁和邊梁結構不變,家畜車圓弧頂方案改為折彎頂,折彎頂方案相對于圓弧頂方案易出現超限界問題,將車頂方案改為5段折彎車頂后,對車體進行限界檢查;縱梁結構采用5列縱向角鋼梁,并移至橫梁折彎角處;彎梁結構采用角鋼與扁鋼相間分布的布置方式,車頂優化后結構如圖7所示。經有限元分析計算,折彎頂方案車體剛度和強度均滿足標準TB/T 3550.2—2019的要求。

圖7 家畜車車頂優化后結構圖

4 車體優化后計算結果及試驗驗證

4.1 車體剛度結果

家畜車經底架、側墻、車頂等關鍵結構優化后,在垂向剛度工況下,車體中梁的最大變形為8.3 mm,車體側梁的最大變形為8.1 mm,均低于相應的撓度許用值,滿足標準TB/T 3550.2—2019的剛度要求,車體變形如圖8所示。

圖8 剛度工況變形圖

4.2 車體強度結果

車體在各合成工況下的應力結果如表4所示,由表4可知,車體在各計算工況下材料的利用率均小于1,符合標準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力結果,如圖9所示。

圖9 第一拉伸組合工況應力結果

表4 各計算工況車體應力匯總 MPa

4.3 車體靜強度試驗驗證

樣車試制完成后,根據標準TB/T 3550.2—2019對車體進行了靜強度和剛度試驗。試驗結果表明,車體靜強度和剛度均滿足標準要求[5]。選取第一壓縮組合工況,對車體關鍵結構處的應力進行仿真和試驗對比分析,對比結果見表5。從表5可知,仿真和試驗結果對比誤差在10%以內,誤差在可接受范圍內,從而說明有限元分析模型具有一定的可靠性,方案設計階段采用仿真方法進行的結構優化設計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鍵測點仿真和試驗對比結果

5 結論

本文通過對某出口自發電長大家畜車車體進行有限元分析計算和結構優化,得出以下結論:

(1) 家畜車車體底架、側墻、車頂等關鍵結構經優化后,車體的靜強度和剛度均滿足標準TB/T 3550.2—2019的要求;

(2) 樣車試驗結果表明,車體靜強度和剛度均滿足標準TB/T 3550.2—2019的要求,且車體關鍵結構的強度結果仿真與試驗對比誤差在可接受范圍內,從而驗證了有限元分析模型的可靠性,基于此分析模型的結構優化和改進方案同樣具有一定的準確性和可靠性;

(3) 在方案設計階段,通過有限元方法對車體進行強度分析,可在樣車試制之前發現設計缺陷,并通過設計優化方案予以解決,極大地提高了樣車強度試驗通過率,縮短了研發周期。