特種集裝箱鐵路運輸平車有限元優化分析

于艷麗，劉芝娜

（中國船級社質量認證公司，北京 100006）

特種集裝箱鐵路運輸平車有限元優化分析

于艷麗，劉芝娜

（中國船級社質量認證公司，北京 100006）

有限元法是一種常用且高效的計算手段。有限元法是根據變分原理演化而來的。隨著電腦科技的不斷發展，有限元法已經以一種CAE技術形態展現在人們眼前。有限元法以其強大解析能力，受到各界設計人員的好評。本文以有限元法的概述為中心，分析了特種集裝箱鐵路運輸平車的有限元優化方案。

有限元法；優化；特種集裝箱；鐵路運輸平車；分析

若想對特種集裝箱鐵路運輸平車進行優化，就必須先了解有限元法的基本思想，明確其步驟與優勢，并且要對其軟件有一定的認識。

1 有限元法的概述

1.1 有限元法簡介

有限元法概念最早的出現，可以追溯到20世紀的40年代。是Courant在處理St．Venant扭轉問題時，將有限元法初步概念在三角區域上的分片連續函數和最小位能原理上的。直至1956年，才出現第一次實驗的成功，這是由Clough、Turner等人在處理飛機構造彈性力學平面問題的分析上，使用鋼架位移法，并在這基礎上,使用三角形單元算法解決了平面應力的問題。有限元法正式提出是在1960年，由Clough在處理平面彈性時得以認證，并進入了人們的視野。

緊跟著電腦科學技術的快速成長，有限元法的分析層面也得到了擴充，從單獨的結構工程強度分析，直接發展到現今的各個科學技術領域。并且由于有限元的分析應用性廣、功能性強，其對于工程設計與開發的輔助性有著無與倫比的高效型，是現今科研技術企業保持恒久競爭力最為優秀的重要工具之一。

1.2 有限元法的基本思想

有限元法的基礎理論思想就是將結構進行離散化處理。具體的說，就是對于實際結果進行離散化處理，獲得有限數目規則單位的結合體。分析其離散的結合體物理性就能夠達到對實際結構物理性分析的目的，通過計算分析得出的相似結果來替代復雜的實際結構分析。

1.3 有限元法具體分析步驟

將分析對象進行離散化處理。其離散結果為有限數量單位，單位的數量依據計劃所需和計算的單位精度所定。其離散的單位數量越多，所得到的結果就會越接近實際的分析對象，相對的計算量也會隨之增大。

對單位進行特性的分析。由于位移法是在有限元法計算中經常用到的，所以第一步就是需要選擇相應的位移模式，也可以說是位移函數。接下來就是對于單位力學性質的分析，依據單位不同的性質，對其各個方面進行有目的性的分析，并分析出單位節點與其位移的關系式，得出單位剛度矩陣的分析結果。最后，再求出等效節點力，并將單位邊界的表面力、集中力有計劃的附加在節點上。簡單來說用等效節點力的數據作為所有作用在單位上力的依據。

單位組集。對于單位的組集就是對剛度矩陣的整體建立。利用其結構中某種平衡力與邊界條件,將各個單位按照原始結構重新組合。

求解為止節點位移。使用有限元方程，獲得節點位移的相關數值，再根據數值對未知量進行分析。

1.4 有限元法分析的優勢

其與常規的力學分析法相比，有限元分析的優勢在于它可以分析一些復雜性較強，非均質的實際工程結構。同時，對于復雜性較強的本構關系、條件、荷載有限元法能夠起到一個良好的模擬作用。使用有限元法還可以對結構進行進一步的動力分析。在此之上，由于其前處理與后處理技術的進步，可以借鑒大量實際案例進行對比分析，從而有力于結構結果的計算，還能夠對工程方案進行細致的增強與優化。

2 有限元法對于特種集裝箱運輸平車分析的適用性

有限元法的用途廣泛，其對于特種集裝箱鐵路運輸平車的評估有著巨大的幫助，這個幫助有著兩個方面的優勢。一方面是，由于平車的體積比較大，用普通分析法，不但耽誤時間，而且還容易產生誤差，這將直接影響今后的使用。使用有限元法的離散處理，只對一部分分析，就能得到與實際相似的答案。使用有限元法，不但能夠節省時間，還能夠有效的實現測試目的。第二個方面是，有限元法面對不同的材料，也能夠在一定程度上進行計算分析。對于有些力學分析法分析不了的材料，有限元法能夠從一定層面上彌補普通分析法的不足。并且有限元法在另一個角度。加強了技術人員對于分析車體的時效性，增進了工作的效率。

3 特種集裝箱鐵路運輸平車有限元優化分析

3.1 特種集裝箱結構簡介

對于集裝箱的選擇，都是要在切合《標準軌距鐵路機車車輛限界》的實際標準基礎上，來進行有限元優化。

（1）性能介紹。集裝箱要切合《標準軌距鐵路機車車輛限界》規定，其裝運保溫箱分為三級，一級的保溫箱為32℃，二級與三級保溫箱27℃。自重為25，結構最大速度為120km/h。其最小的轉彎半徑為145m，緊急制動距離為小于等于1400m。

（2）尺寸介紹。轉向架中心間距為12．622m，低價的長度與寬度分別為16．422m與12．622m。車鉤的中心線為0．88m。在空車的情況下，彈體保溫箱為高為1．156m。

（3）主體介紹。該運輸平車的構成部分包括了底架，集裝箱鎖閉設備，緩沖車鉤設備，轉向架等設備。其底價的焊接方式為全鋼焊接，通過對中梁側梁，端梁枕梁，大、小的衡量等其他輔助梁焊接而成。中梁與側梁中間有橫向的輔助梁。底架上鋪有7毫米厚的鐵地板。鍛造上心盤的直徑是358mm，前從板座與后從板座的材質為C級鑄鋼，并且其余中梁間的連接，采用的是符合相關要求的特殊拉柳釘。在底架的枕梁出與大梁處，分別設立四組固定手動旋鎖和發展手動旋鎖。

3.2 優化程序與設備

本次優化使用的是有限元分析程序為美國SDRC公司開發的I-DEAS 軟件，硬件設備使用的是NT工作站。

3.3 計算模型及計算載荷工況

從整體上來說，其荷載與其結構存在著對稱性。所以在選擇計算分析對象時，取整體的二分之一與四分之一進行分析。在對稱面上選擇相適合的位移函數。在分析計算中，將待實驗的實際整體結構進行離散處理，其單元為Thin-shell，其節點為64544個，其單位為64663個。其在施加荷載等外力與獲得的結果都是按照《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》規定下所進行或評定的。其中縱向力按照下面的方式進行選取。第一工況拉伸1125千牛，壓縮1400千牛。第二工況壓縮2250千牛 對車體強度進行校對與核實。

荷載狀況。車體的自重大概在15噸左右，其受力以平均分布的形態作用在平車內部。在滿載的情況下，計算車體的動荷系數（Kdy），公式為。其中，fj代表著專享價的垂直靜撓度。V代表的是車輛的結構最大速度。a為1．5，b 為 0．05，c為 0．427，d為 1．65。側向力為垂向靜載荷的1/10，扭轉在和作用于平車底架的稱重處，其數值為40千牛每米。其縱向拉伸作用于平車底架的前從板，其數值為1125千牛。縱向的壓縮載荷作用于平車底架的后從板，其數值為1400千牛。

計算工況。本次計算是在各項標準達到相關規定飽和的狀況進行計算，以達到最為極限的目的和測試成果。

第一工況，進行拉伸組合時，將縱向拉伸力與垂向總載荷、扭轉荷載、側向力進行合成。要求其結果不能夠比第一工況的許用應力大。在進行壓縮組合時，要將縱向壓縮力與垂向總載荷、扭轉載荷、側向力進行合成，其要求與進行拉伸組合時有著同樣的要求。

第二工況，進行縱向壓縮力與垂向靜載荷的合成，其獲得的合成應力結果，不能比其許用應力大。

3.4 評定標準

對于車體整體的剛度判定，要求其組成的撓跨比要小于1/700。對于強度的判定是根據相關規定的許用應力來計算的，這需要對主體材質的兆帕計算。通過計算得出，在第一工況下，其許用應力為215兆帕，第二工況下，其許用應力為292兆帕。

3.5 計算分析結果

剛度結果。經過計算分析，平車中梁的最大撓度為17．6毫米，撓跨比為7/5000，未超過核定標準1/700。

強度結果。第一工況中，進行拉伸組合中其最大應力，發生在平車中梁變斷面的下彎角處，其應力值為174兆帕。在進行壓縮組合時，其最大應力發生在小橫梁加載面處，其數值為132兆帕，均為超過許用應力215兆帕。在第二工況中，進行合成實驗，其最大應力為204兆帕，也為超過核定的許用應力292兆帕。經過分析，該特種集裝箱平車，符合相關規定要求。

4 結語

總的來說，在對特種集裝箱鐵路運輸平車的分析中，利用有限元法是一個不錯的選擇，通過有限元的軟件以及工作臺，能在一定程度上加快對于車體的數據分析，并且得到的數據結果能夠被人們利用，方便今后對車體的使用。

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U272.3

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1671-0711（2017）10（上）-0106-02