特大貨車譜系化結構數值仿真校驗平臺開發與應用

魏鴻亮，方 吉，李季濤，兆文忠

(1.中國北車集團 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000;2.大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

特大鐵路貨車是鐵路車輛工程中極為特殊的一類產品，是鐵路貨車中的“結構巨無霸”，它不僅用途特殊、結構特殊，更為重要的是它的結構服役安全性級別要求也最為特殊，每次服役過程中，必須布置許多傳感器，安全狀態動態監測，其每次“前呼后擁、專列伺候”的幾百噸重的特大貨物的行進場景令人激動，但是，一旦出現安全事故，除了經濟損失慘重外，對鐵路線路上正常運輸的打擊也將是沉重的.

針對特大鐵路貨車結構安全性的特殊重要性，產品的唯一性，譜系化的系列性，試驗驗證的滯后性，為特大鐵路貨車譜系化結構構造一個服役安全性數值校驗平臺，將一切結構安全隱患在設計階段源頭鏟除，就顯得尤其必要［1-3］.

國內的特大鐵路貨車的結構譜系包括載重可達370 t的凹底平車系列;載重長度可達100 m的特大平車系列系列;載重可達450t以上的落下孔車系列;載重長度可達100 m的雙聯平車系列，以及載重可達550 t的鉗夾車系列［4-5］.

從結構的譜系化角度看，雖然特大貨車系列不同，但是它們既有共性，也有個性，例如:轉向架、軸系、小底架、大底架，球形心盤等，是譜系化的共性基礎結構;而不同的貨物裝載結構方式，則定義了它們系列上的屬性差異，這就為“積木式”平臺的搭建創造了客觀條件.從仿真分析的角度看，“積木式”平臺結構子塊庫中，強度、剛度、模態、屈曲穩定性的仿真流程是一樣的，乃至整車的動力學性能仿真的流程也是一樣的，這樣，如果我們能針對特大貨車結構的上述譜系化特點，構造在一個結構服役性能數值仿真校驗平臺，且在這個平臺上讓可繼承性的建模經驗可以共享，這個工作是有意義的.

1 特大貨車結構譜系化的設計特征

圖1是根據特大貨車譜系化的結構特點給出的拓撲示意.根據這個拓撲結構圖，可以將特大貨車的結構設計分解成轉向架設計系列、小底架設計系列、大底架設計系列、導向梁設計系列，以及承載框架設計系列.

當根據市場需要的運輸貨物的具體要求來開發某一個品種的特大貨車時，就可以采用“搭積木”的方式直接從全部子系列結構中選取成熟結構模塊，通過一定的優化組合，搭建出一個具體的 新型特大貨車.

圖1 特大貨車結構拓撲圖

1.1 轉向架結構系列

根據特大貨車的結構以及載荷傳遞特點，特大貨車走形部應為多組轉向架組成的轉向架群結構，因此轉向架子平臺的搭建主要以不同軸數、結構型式的轉向架結構模塊為基礎，包括2軸、3軸、4軸的不同結構型式及軸重的轉向架結構模塊.

1.2 小底架結構系列

根據特大貨車的結構及載荷傳遞特點，特大貨車小底架子平臺產品結構模塊主要有兩類結構型式，一類是帶牽引梁小底架，主要用于車輛端部，安裝車鉤緩沖裝置;另一類是不帶牽引梁的小底架，即可用于車輛端部，也可用于車輛中部.

1.3 大底架結構系列

根據特大貨車的結構、載荷傳遞特點以及運輸時車輛通過曲線能力的要求，大底架子平臺產品結構模塊較為固定.

1.4 導向梁結構系列

根據特大貨車的結構以及運輸時通過曲線能力的要求，特大貨車應設置導向梁，導向梁子平臺產品結構模塊較為固定.

1.5 承載框架結構系列

由于特大貨車所運貨物的各異性，根據不同的貨物結構型式及承載能力要求，匹配不同的承載框架，結合多年的設計經驗及國內外特大貨車發展歷程總結出了五種型式承載框架結構模塊.

基于上述“積木式”的子系列結構，可以很方便的搭建成市場所需要的各種產品的設計方案，然而，設計方案是否可行?則需要進行精細的、多領域的、系統的數值仿真校驗，以杜絕設計隱患，而不是寄希望于試驗.為此，構建了一個專用于特大貨車結構的性能數值仿真校驗平臺.

2 性能數值仿真校驗平臺的模塊化結構

(1)靜強度仿真計算模塊;

(2)靜剛度仿真計算模塊;

(3)結構模態計算模塊;

(4)結構屈曲穩定性計算模塊;

(5)車輛動力學性能計算模塊;

(6)結構三維幾何導入模塊;

(7)結構網格劃分及邊界條件定義模塊;

(8)數據存儲與管理模塊.

該平臺的仿真支持工具來自于世界著名的有限元軟件ANASYS、NASTRAN，以及通用的動力學軟件ADAMS，它可以考慮剛柔混合建模的動力學仿真［6］.

其與有限元軟件有接口的三維幾何創建軟件是I-DEAS，其與有限元軟件有接口的前后處理軟件是著名的Hyper-Mesh.

首先，在I-DEAS中創建三維幾何，然后，導入到Hyper-Mesh，進行網格劃分，其中:

(1)薄殼單元主要用來離散轉向架、小底架、大底架、鉗夾梁、側承梁、導向梁等結構;

(2)三維塊體元主要用來離散各類銷軸;

(3)非線性的接觸單元主要用來定義包括接觸旁承在內的接觸關系;

(4)專用的彈簧元主要用來定義轉向架上的支承彈簧，并定義邊界條件，其中包括外載荷以及位移約束.

特別要指出的是:該平臺上的動力學模塊考慮了特大貨車動力學四項共性難點:小曲線通過的導向能力;重載橫向穩定性;空車回放時動力學的可靠性;小曲線上對輪軌的側向力，因此，基于模態綜合法，在動力學數值仿真時采用了剛柔耦合技術，從而克服了多剛體建模的局限性［7-8］.

圖2給出了性能數值仿真平臺的數據流程，圖2中的子結構與前面的結構系列對應.

針對特大貨車結構的模塊化特點，對應構造的性能數值仿真校驗平臺也是模塊化結構的.這些功能模塊分別是:

圖2 仿真校驗平臺的數據流程

3 工程應用數據對比

該平臺上的數值仿真結果與試驗結果具有良好的一致性，這一點特別重要，因為它不僅證明了該平臺功能的完整性與可靠性，也證明了該平臺上我們對特大貨車結構建模經驗共享的有效性.

下面給出二個應用案例的數據對比，結果如表1～表4所示，因篇幅所限，這里僅列出了部分對比結果.

(1)DA37型凹底車

表1 強度仿真計算結果與試驗結果對比

表2 動力學性能仿真計算結果與試驗結果對比

(2)DQ45型鉗夾車

表3 DQ45型鉗夾車強度計算分析與試驗對比

表4 DQ45型鉗夾車動力學性能計算分析與試驗對比

4 結論

具有自主知識產權的特大貨車譜系化結構的性能數值仿真校驗平臺的開發，可以將設計隱患消除在設計階段，支持產品開發一次性成功，可以顯著地縮短產品的開發時間與成本，它已經對我國特大貨車產品的創新開發做出了重要的貢獻，有力的支持了國家重點工程的順利建設.然而，這里需要強調的是:搭建該平臺的計算機軟件、硬件條件是必要的，但是能得心應手駕馭這些軟硬件的人，則需要良好的理論修養，他們的貢獻是隱形的，然而卻是第一重要的.

［1］李渝生.對我國鐵路長大貨物運輸的思考與建議［J］.鐵道車輛，1998，36(11):27-33.

［2］張琦.對大件貨物運輸的思考［J］.鐵道貨運，1998(6):13-14.

［3］田葆栓.鐵路長大貨物運輸裝備技術發展水平與關鍵技術問題［J］.中國鐵路，2004(2):35.

［4］王德占.關于超長貨物運輸的思考［J］.鐵道貨運，2005(5):31-33.

［5］肖德貴.提升鐵路長大貨物運輸裝備水平的思考［J］.鐵道運輸與經濟，2005，27(9):9-15.

［6］王勖成.有限單元法基本原理和數值方法［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［7］國家標準局.GB/T5599-1985鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范［S］.北京:中國標準出版社，1985.

［8］WANG X Q，LIU Z H.The Influence of Adhesion Coefficient on Wheel and Rail Service Life［C］.Proc.，9th International Wheelset Congress，Mont real，Canada，1988.