鐵路站臺(tái)板面主橫縱梁連接處優(yōu)化設(shè)計(jì)

王美麗，曾運(yùn)清，張瑞鵬

(1.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津300161;2.軍事交通學(xué)院聯(lián)合投送系，天津300161)

某型站臺(tái)是一種預(yù)定用于輪式和履帶式裝備上下鐵路平車而臨時(shí)搭設(shè)的制式保障裝備，是列入我軍后勤裝備體系的軍交運(yùn)輸保障裝備之一，對(duì)于提高我軍鐵路輸送快速裝卸載能力具有十分重要的意義。該裝備結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)人員少、架設(shè)速度快，在保障我軍輪式和履帶式裝備鐵路裝卸載過程中發(fā)揮了重要的作用。但該站臺(tái)在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)了站臺(tái)板端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板的連接焊縫普遍產(chǎn)生裂紋的問題，在一定程度上影響和制約了裝備通載安全和裝卸載效率。

1 站臺(tái)組成及開裂原因分析

1.1 站臺(tái)組成及問題提出

該裝備由搭板、站臺(tái)板、支腿總成、礎(chǔ)板、調(diào)整塊、底座及輔助器材組成(如圖1所示)。其中，站臺(tái)板是裝備的主要構(gòu)件，可以連續(xù)搭設(shè)三跨，其一端通過礎(chǔ)板搭設(shè)在道床或地面上，另一端通過搭板搭設(shè)在鐵路平車上，共同組成一個(gè)裝卸通道。該裝備每跨由外側(cè)站臺(tái)板、中間站臺(tái)板和內(nèi)側(cè)站臺(tái)板組成，其結(jié)構(gòu)相同，外形尺寸略有不同。站臺(tái)板由面板、主縱梁、中間縱梁、橫梁及耳板等組成，材質(zhì)為705鋁合金。端橫梁采用槽鋼，主縱梁采用工字鋼，兩者焊接在一起［1-2］(如圖2所示)。

圖1 某型保障裝備外形

圖2 站臺(tái)板結(jié)構(gòu)

通過部隊(duì)調(diào)研及對(duì)該站臺(tái)進(jìn)行后雙軸輪式車輛(單軸荷載13 t)和ZTZ99式坦克通載試驗(yàn)［3］，均發(fā)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)站臺(tái)板的端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板的連接焊縫出現(xiàn)細(xì)小豎向裂紋(如圖3所示)。

圖3 端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板連接處焊縫裂紋

1.2 產(chǎn)生裂紋原因分析

四邊支承的面板，當(dāng)長跨與短跨兩者計(jì)算跨度之比大于2時(shí)，稱單向板。此時(shí)，按照彈性理論進(jìn)行計(jì)算可知，長跨方向所分配到的荷載不到6%［4］。本文長跨與短跨之比 l2/l1=700/200=3.5＞2，所以板上的荷載沿 l2(長邊)方向傳遞的很少，可以略去，板上荷載主要沿l1(短邊)方向傳遞給支座。因此，槽鋼承受豎向荷載發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生正應(yīng)力。根據(jù)兩梁的具體連接方式(槽鋼焊接在工字鋼上)，正應(yīng)力幾乎全部由焊縫承擔(dān)。

通過分析，站臺(tái)板產(chǎn)生裂紋的主要原因:一是槽鋼翼緣板尺寸較小，其與槽鋼翼緣板間的對(duì)接焊縫尺寸較小，而端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板交界處應(yīng)力比較大;二是端梁下翼板厚度為6 mm，主梁下翼板厚度為12 mm，兩種板厚相差比較大，缺乏平順過渡措施，形成對(duì)接焊縫應(yīng)力集中，在反復(fù)荷載作用下，此處更容易出現(xiàn)裂紋直至破壞。

2 有限元分析

合理的有限元模型能夠以較高的精度對(duì)實(shí)際構(gòu)件的受力情況進(jìn)行模擬，本文使用有限元軟件Ansys，用數(shù)值計(jì)算的途徑解決問題。首先，建立站臺(tái)板整體模型進(jìn)行靜載分析，提取站臺(tái)板端橫梁與主縱梁連接處節(jié)點(diǎn)位移;然后，建立該連接處實(shí)體模型進(jìn)行分析，分析計(jì)算結(jié)果，提出改進(jìn)措施;最后，建立改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行分析，對(duì)改進(jìn)以后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，對(duì)比改進(jìn)前后計(jì)算結(jié)果來驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性。站臺(tái)板材料屬性見表1。

表1 站臺(tái)板材料性能

2.1 整體分析

本文按圖4所示承受荷載的外側(cè)站臺(tái)板為研究對(duì)象，采用beam188單元模擬站臺(tái)板主縱梁和端橫梁，通過定義橫截面尺寸來模擬實(shí)際情況。面板厚度為6 mm，可以用 shell63單元模擬，shell63是一種有代表性的4節(jié)點(diǎn)板殼單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度(3個(gè)平動(dòng)、3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng))，它具有彎曲和薄膜特性，能承受面內(nèi)和法向載荷［5-6］。模型邊界條件為在一個(gè)角點(diǎn)施加固定鉸支座(只約束其3個(gè)平動(dòng)自由度，不約束轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)約束，一個(gè)角點(diǎn)限制x、z向位移，另兩個(gè)角點(diǎn)限制z向位移，用以模擬站臺(tái)板通過支耳搭在支腿上，在外力作用下可以有一定水平方向的位移。

如圖4(a)所示，輪式車輛當(dāng)后雙軸同時(shí)作用在一塊站臺(tái)板且偏載加載荷載時(shí)最不利，此處單軸載荷為13 t，雙軸之間距離1.4 m，輪胎接地長度0.2 m、寬度 0.6 m。如圖 4(b)所示，ZTZ99 式坦克靜置在站臺(tái)上，履帶寬 0.6 m，接地長度5.04 m。利用有限元軟件Ansys進(jìn)行靜力分析后的Von mises應(yīng)力云圖如圖5所示。提取節(jié)點(diǎn)位移Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz，為 節(jié) 點(diǎn) 詳 細(xì) 分 析 做準(zhǔn)備。

圖4 外側(cè)站臺(tái)板有限元模型

圖5 站臺(tái)板Von mises等效應(yīng)力云圖

文獻(xiàn)［7］根據(jù)《舟橋設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3分冊(cè)，按照輪式載13 t軸壓外側(cè)偏載計(jì)算，在計(jì)算中假定60%的輪式荷載由外側(cè)主梁承受，僅作用在一跨上為最不利，最終求得站臺(tái)板最大應(yīng)力為主梁跨中彎曲最大正應(yīng)力，應(yīng)力為202.87 MPa。這與前文Ansys有限元計(jì)算所取載荷、所得計(jì)算結(jié)果接近，可以證明上述有限元模擬的有效性。

2.2 原連接處有限元分析

考慮到本文研究的主要目的是對(duì)端橫梁與主縱梁連接處槽鋼和工字鋼連接方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為使得計(jì)算結(jié)果更直觀，擬將連接處槽鋼和工字鋼各截取一部分進(jìn)行分析，建立如圖6所示的原連接處有限元模型。施加整體分析中該模型邊界截面處的位移，詳細(xì)分析連接處應(yīng)力與位移。

圖6 連接處實(shí)體有限元模型

為了使所建立的有限元模型具有合理性和精確性，首先建立了與實(shí)際構(gòu)件組成相同的有限元精確模型，即該型裝備外側(cè)站臺(tái)板一邊的端橫梁下翼板與主縱梁下翼板節(jié)點(diǎn)細(xì)部模型。該模型節(jié)點(diǎn)選擇空間8節(jié)點(diǎn)六面體單元solid45單元模擬，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度(Ux，Uy，Uz)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)彈性、彈塑性、蠕變等空間有限元問題的仿真。建模過程為先建立實(shí)體，實(shí)體中各相交處通過布爾運(yùn)算合并重疊區(qū)域，再劃分網(wǎng)格(如圖6所示)。對(duì)耳板的形狀進(jìn)行了一定簡化，但是通過施加適當(dāng)?shù)募s束并不影響所要關(guān)注部位的分析結(jié)果。另外，從整體結(jié)構(gòu)靜力分析的計(jì)算結(jié)果中提取圖6所示節(jié)點(diǎn)模型邊界處的位移 Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz，在邊界形心處施加位移荷載，并通過建立MPC剛性區(qū)域的方法，將節(jié)點(diǎn)位移傳遞到模型邊界截面上，從而模擬節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)［8-9］。

圖7為槽鋼和工字鋼連接處Von mises等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出:站臺(tái)板端橫梁與主縱梁連接處應(yīng)力比較大，且下翼緣板連接處應(yīng)力比上翼緣連接處應(yīng)力更大，在輪載作用下站臺(tái)板下翼緣板連接處的應(yīng)力為201.8 MPa，在ZTZ99式坦克作用下此處應(yīng)力為97.3 MPa，這是由于站臺(tái)在實(shí)際使用過程中，面板對(duì)上翼緣處焊接應(yīng)力有一定的減小作用，使得下翼緣連接處相對(duì)比較薄弱，更容易發(fā)生破壞。

圖7 連接處Von mises等效應(yīng)力云圖

為了解決這一問題，經(jīng)多次改進(jìn)方案設(shè)計(jì)、樣品試制以及實(shí)裝通載，最終采取以下加強(qiáng)措施:將單耳端部和下部過渡板寬度尺寸加大(如圖8所示)，并將其分別與槽鋼和工字鋼焊接到一起，起到連接板的作用，與對(duì)接焊縫共同承擔(dān)此處的作用力，從而降低對(duì)接焊縫的應(yīng)力［10］。

圖8 主縱梁與端橫梁連接處改進(jìn)前后對(duì)照

2.3 改進(jìn)連接處有限元分析

圖9 為站臺(tái)板端橫梁與主縱梁連接處改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)模型。從圖10給出的Von mises等效應(yīng)力云圖中可以看出，在站臺(tái)板端橫梁下翼緣板與主縱梁下翼緣板的連接的對(duì)接焊縫處應(yīng)力比未作改進(jìn)之前小很多，在輪載作用下站臺(tái)板下翼緣板連接處的應(yīng)力減小為62.6 MPa，在ZTZ99式坦克作用下此處應(yīng)力為34.3 MPa，與改進(jìn)前相比應(yīng)力減小70%左右。

圖9 改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)模型

圖10 改進(jìn)后連接處Von mises等效應(yīng)力云圖

試驗(yàn)［3］表明，通過采取上述技術(shù)措施后，全部站臺(tái)板在經(jīng)過后雙軸輪式車輛(單軸荷載13 t)和ZTZ99式坦克通載可靠性試驗(yàn)后，連接處均未發(fā)現(xiàn)異常。數(shù)值分析和試驗(yàn)均表明這一改進(jìn)設(shè)計(jì)非常有效。

3 結(jié)語

本文通過有限元分析軟件Ansys建立三維實(shí)體模型，著重對(duì)某型裝備外側(cè)站臺(tái)板端橫梁與主縱梁的連接處受力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)兩種情況進(jìn)行對(duì)比，一種是單耳端部和下部過渡板寬度尺寸比較小，僅在主縱梁下側(cè);另一種情況是過渡板寬度尺寸比較大，延伸到槽鋼下側(cè)，作為槽鋼與工字鋼之間的連接板并與兩者焊接在一起。通過數(shù)值分析并結(jié)合實(shí)裝通載試驗(yàn)結(jié)果，可以得出:將單耳端部和下部過渡板寬度尺寸加大，作為槽鋼與工字鋼之間的連接板，與對(duì)接焊縫共同承擔(dān)此處的作用力，從而降低對(duì)接焊縫的應(yīng)力，受力更為合理，從而提高了構(gòu)件的承載能力和安全可靠性。本文分析計(jì)算思路可為其他同類構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計(jì)提供參考。

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