某不銹鋼車水箱安裝框架強度分析與結構優化

劉莉

摘要：文章對某不銹鋼車的水箱安裝框架結構進行了有限元靜強度分析，參考靜強度計算結果，對安裝框架進行了結構優化，并進行了有限元靜強度分析和疲勞強度分析，結果表明，優化方案滿足結構強度要求。

關鍵詞：不銹鋼車；水箱；安裝框架；框架強度；結構優化 文獻標識碼：A

中圖分類號：U469 文章編號：1009-2374（2016）30-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.015

1 概述

某不銹鋼車水箱安裝框架在設計過程中采用了大量的角焊縫，為了保證車輛在運行過程中水箱結構的安全可靠，需要對水箱滿載狀態安裝框架結構的強度以及焊縫的疲勞強度進行仿真分析和校核。文章采用有限元法對該不銹鋼車的水箱安裝框架結構進行了有限元靜強度分析。在分析過程中，對安裝框架進行了結構優化，并對優化方案進行了有限元靜強度分析和疲勞強度分析，結果表明，優化方案滿足結構強度要求。

2 水箱安裝框架結構及靜強度分析

2.1 水箱安裝框架結構

某不銹鋼車的水箱安裝框架結構由矩形管、C型梁、扇形板、連接板、彎梁等組成，每個水箱通過8個螺栓兩端固定在矩形管上。水箱安裝框架（帶部分車體）初始有限元模型如圖1（a）所示。按照相關要求，在進行仿真分析計算時按照每個不銹鋼水箱554kg計算。

（a）水箱安裝框架初始有限元模型（b）優化方案有限元模型

圖1 水箱安裝框架有限元模型

2.2 有限元模型

某不銹鋼車的水箱安裝框架結構及部分車頂主體采用板殼單元（shell181）進行離散，用實體單元（SOLID185）模擬塞焊連接。在Hyper Mesh軟件中首先抽取三維幾何模型的中面，將三維實體幾何模型轉化二維中面幾何模型，使用殼單元建立有限元模型。模型共劃分了182054個單元、179908個節點，如圖1（a）所示。

2.3 材料特性

模型中除矩形管的材質為X5CrNi18-10，波紋板的材質為SUS301L-3/4H（屈服強度≥480MPa，抗拉強度≥820MPa），其余結構如C型梁、連接板、彎梁等材質均為SUS301L-1/2H（屈服強度≥410MPa，抗拉強度≥760MPa）。其中模型中所用材料的密度均為7850kg/m3，彈性模量206GPa，泊松比0.3。

2.4 邊界條件和計算工況

在車頂四周施加約束，約束節點的6個自由度。依據UIC 566標準，計算靜強度時工況為縱向（X向）5g、橫向（Y向）1g、垂向（Z向）3g。

2.5 疲勞強度計算工況

考慮到該不銹鋼車的水箱安裝框架結構的不對稱性，根據EN12663-1標準，水箱安裝框架疲勞強度的加載工況如表1所示：

2.6 靜強度計算結果分析

在2.4節邊界條件和計算工況作用下，水箱安裝框架的靜強度計算結果如圖2所示。其中最大應力為1211.48MPa，大于屈服強度410MPa，發生在多孔連接板和扇形板之間的塞焊位置。

分析結果可以看出：在2.4節邊界條件和計算工況作用下，多孔連接板和扇形板之間塞焊位置的應力值超過了強度許用應力值，此方案下水箱安裝框架結構靜強度不滿足要求。

3 優化方案

3.1 優化方案的水箱安裝框架結構

根據2.6節中的靜強度計算結果，分析討論后提出以下的優化方案。在優化方案中新增了C型斜梁和方管。新增的C型斜梁材質為X5CrNi18-10（屈服強度≥230MPa，抗拉強度540～750MPa），新增的方管材質為SUS301L-1/2H。優化方案的水箱安裝框架有限元模型如圖1（b）所示。

3.2 優化方案的水箱安裝框架有限元模型

建立優化方案的水箱安裝框架結構的有限元模型方法同2.2，模型共劃分了191148個單元，193782個節點，如圖1（b）所示。

3.3 優化方案水箱安裝框架靜強度計算結果分析

在2.3節～2.4節相同的材料特性、邊界條件和靜強度計算工況作用下，優化方案水箱安裝框架的靜強度計算結果如圖3所示。其中最大應力為243.801MPa，小于屈服強度為410MPa，發生在多孔連接板和扇形板之間的塞焊位置。

對應力結果分析可以看出：

在2.4節邊界條件和計算工況作用下，多孔連接板和扇形板之間的塞焊位置的應力小于強度許用應力值，此方案下水箱安裝框架結構靜強度滿足要求。

3.4 優化方案水箱安裝框架疲勞強度計算分析

根據《動力轉向架構架強度試驗方法》（TB/T2368-2005）附錄D中的B12/RP17提供的鋼材疲勞極限圖對水箱安裝框架進行疲勞強度評估，基于水箱安裝框架所用的材料，疲勞極限圖采用抗拉強度≮520MPa的疲勞極

限圖。

優化方案的不銹鋼車水箱安裝框架在2.5節10種疲勞強度計算載荷工況作用下，對水箱安裝框架的關鍵焊縫的應力因數進行分析。圖4表示水箱安裝框架焊縫的位置以及計算應力與許用應力的比較。水箱安裝框架焊縫區域的最大應力因數為0.368，根據EN15085-3，應力因數<0.75，應力等級為低級。該水箱安裝框架滿足疲勞強度要求。

4 結語

（1）對比應力結果分析可以看出：水箱安裝框架采用優化方案，在縱向5g、橫向1g、垂向3g的載荷工況下，滿足靜強度要求，優化方案可行，這可為工業生產提供一定的理論參考依據；（2）優化方案中，水箱安裝框架在10種疲勞強度計算載荷工況作用下，焊縫區域的最大應力因數為0.368，根據EN15085-3標準，應力因數<0.75，應力等級為低級。優化方案下該水箱安裝框架滿足疲勞強度要求。

參考文獻

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