某鐵路車輛車架結構設計及靜強度計算與試驗

仝曉田

摘 要

根據項目組要求，保證整機功能滿足要求，在設計空間受限的情況下，在有限的空間內對某鐵路車輛車架進行結構設計，運用CAE手段對車架結構進行數值模擬計算，分析計算結果與靜強度試驗結果進行對比。結果表明：車架的靜強度和剛度均滿足設計要求，對于同一測試點其仿真分析的應力值與試驗得到的應力值誤差基本在10%以內，剛度變形值基本沒有誤差，結果一致性較好，該設計方法為今后的車架及大型鋼結構設計提供了有效依據。

關鍵詞

車架;結構設計;剛度;強度;CAE;APDL

中圖分類號： U469.53 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.033

0 引言

鐵路運輸是我國的主要運輸方式，在國民經濟中起著非常重要的作用[1]。隨著科學技術的日新月異，越來越多的人工勞動被機械智能所取代，既減少了勞動力又大大地提高了生產效率。

對于整機來說，車架是整機結構中重要的承載部件，整機其他零部件主要通過焊接、螺栓連接、鉚接等方式固定在車架上。車架的構架是由大量的型材和鋼板焊接而成[2]，其結構的強度、剛度是否滿足要求直接決定了靜強度試驗的一次性通過率，節約時間和資金成本。車架作為重要的承載傳力部件，其設計時受工作裝置、芯盤距及軸重的限制，局部幾何形狀比較復雜，設計難度較大。有必要利用先進的計算手段對車架結構進行有限元分析校核。

本文按照總體對整機的基本布局進行車架的方案結構設計，利用APDL參數化建模的有限元方法計進行建模，經過反復的結構優化設計，最終得出滿足TB/T1335-1996《鐵路車輛強度設計及試驗鑒定規范》以及GB/T25337-2010《鐵路大型養路機械通用技術條件》標準要求的構架。

1 車架方案結構設計

車架長度為28240mm，寬度為3040mm，屬于超長構架，主要由車架前部，車架中部，左、右主焊接H型梁，前、后心盤座，橫梁、連接梁及一些輔助元件組成，矩形管厚度有8mm、10mm、12.5mm和16mm四種類型。整車剛度由兩側主焊接H型梁承擔，根據整機布局的需求，在相應的位置設計不同的承載結構，車架的結構如圖1所示。

車架心盤距為23000mm，構架主結構材料均為Q420D，個別材料為Q355D，材料參數如表1所示。

2 車架結構有限元分析及優化

2.1 車架有限元模型

利用APDL參數化建模的有限元方法計進行建模。對車架結構采用帶節點偏置功能的SHELL181單元進行離散，控制網格大小為30mm，得到的有限元模型[2]。

有限元模型節點總數為185 166，單元總數為186 655，單元質量均值指標為0.99，網格質量優良[3]。單元多為平面四邊形單元，在進行殼單元偏置后形成八節點六面體單元，根據彈性力學的物理方程，單元應力計算如公式（1）所示[11]。

2.2 計算工況及加載

根據《TBT 1335-1996 鐵道車輛強度設計及鑒定規范》[12]，最主要的測試試驗為垂向剛度試驗，和縱向拉伸、壓縮試驗。因此本次計算針對以下幾種工況進行計算，具體如表2所示。

其中，車架的垂向剛度計算要滿足標準[12]中的公式：

式中：f為最大撓度，也即是車架的最大垂向變型;L為車輛的心盤定距。某鐵路車輛心盤定距為23000mm，因此其垂向最大變形不能大于25.5mm。車架結構為焊接的鋼結構，用第四強度理論[13]（Von Mises準則）建立強度條件為：

計算得到的當量應力不應超過σe，車架材料的許用應力為262MPa，因此，計算應力的最大值不能大于262MPa。

車架上部各個設備質量用mass質量單元來模擬。

垂向空載時，載荷即為車架的自重。垂向靜載時，載荷為車架的整備質量，即車架的自重與車架上所有設備重量之和。縱向拉伸時，載荷由拉伸載荷和垂向動載荷共同構成，縱向壓縮時與此相似，載荷由壓縮載荷和垂向動載荷共同構成。垂向動載荷等于垂向靜載荷與垂向動載荷系數的乘積，根據標準[12]，垂向動載荷系數的計算公式為：

式中：Kdv是垂向動載荷系數;fj為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，取65mm;v是車輛的運行速度，取120km/h;b為系數，取值為0.05;d為系數，取值為1.65;a為系數，簧上部分取值為1.50;c為系數，簧上部分取值為0.427。

可以計算出垂向動載荷系數為0.203。根據標準[12]，縱向拉伸的力為980KN，縱向的壓力為1180KN，考慮到列車運行的實際情況[4]，需要在垂向靜載荷的基礎上再加10%以代替車體受到的側向力。

以車架的長度方向為X向，寬度方向為Y向，高度方向為Z向。因為SHELL181殼單元是有2個旋轉自由度的，所以可以在芯盤處的中心節點直接約束UY，UZ，ROTX，為了避免剛體位移，在其中一個芯盤處的中心節點約束UX，兩個芯盤處都釋放ROTY，在心盤區域范圍內，車架上對應的位置實際上是不受力或受力極小的，因此可以將此區域處理為剛性區域，以避免該位置的應力集中問題[6]。

3 車架靜強度試驗

某鐵路車輛靜強度實驗由鐵道科學院主持，在中國鐵建高新裝備股份有限公司完成，根據車架的實際工況與受力情況分別進行加載實驗[7]。

4 試驗結果與計算結果對比分析

4.1 剛度情況

在垂向空載和垂向靜載時需要計算出車架最大撓度值，表3列出了有限元計算結果和試驗得到的兩種工況下的最大撓度值。

從表3可以看出，垂向空載和垂向靜載時車架的仿真和試驗最大撓度值都低于25.5mm，且與試驗結果吻合度較高，車架的剛度是符合設計要求的。如圖6所示，為垂向靜載下有限元計算的車架垂向變形分布，從圖上可以看出車架的最大垂向變形在中部，最大變形值-18.89mm，負號表示變形方向向下，因為動力車的主要工作部件都在中間部位，載荷較大，這也是與實際相符的。

4.2 強度情況

縱向拉伸和縱向壓縮時車架主結構的強度應力值應小于262MPa，如表4所示，列出了測試點有限元仿真結果和試驗結果的應力值。

由表4可得，在拉伸工況下，車架同一點的最大計算應力為168.2MPa，最大試驗應力為162.5MPa，兩者誤差為3.1%，應力值均小于許用應力216MPa，結果表明，在拉伸組合工況下車架強度是符合設計要求的。如圖7所示為拉伸工況下的應力分布圖，從圖上可以看出車架的應力主要分布。

縱向壓縮時，車架的受力情況是在考慮垂向動載前提下兩端加載1180KN，如表5所示是壓縮工況下測試點有限元仿真結果和試驗結果的應力值。

從表5中的對比結果中可見，壓縮工況的計算結果表明強度同樣滿足設計要求，測試點最大計算應力為206.6MPa，最大試驗應力為198.8MPa，應力值在許用應力范圍之內。表中應力偏差較大的地方在開孔尖角處，模型做了簡化，存在應力集中的情況。如圖8是壓縮工況的應力分布圖，構架比較復雜[5]，某些局部受力情況較為復雜，計算應力與實際應力相對差值較大。車架中間部位應力值都在合理的范圍之內，且應力分布較為均勻。

5 結論

本文從最初的結構方案設計，利用APDL參數化語言建模，便于及時修正，效率較高，經過反復優化計算，最終得出某鐵路車輛車架結構，通過有限元計算，從計算結果看出，車架的強度和剛度都滿足設計要求。與靜強度試驗對比表明，計算結果與試驗結果比較接近，特別是大應力點一致性較好，誤差較小，說明建模方法合理，約束符合實際工況，計算比較準確。同時該結構設計方法為今后的新產品構架設計提供了有效依據。

參考文獻

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