客車整備所三層作業平臺可靠性分析*

楊朋朋，宋國義，張建華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引 言

隨著我國高速鐵路的快速發展，行駛速度也在不斷邁上新的臺階，因此對列車的運營及維護的安全性和可靠性有了更高的要求[1]。完善的車輛檢修修程是車輛安全運行的有力保障，三層作業平臺作為車輛段內檢修過程中必不可少的設備，它的安全性對于保證車輛檢修人員的安全起到了至關重要的作用。三層作業平臺主要完成動車組登車作業，在進行日常檢修時，作業人員需要通過作業平臺進行受電弓、空調設備、車門、車燈以及車內等檢修作業。作業平臺使用頻率較高，因此對作業平臺進行強度以及可靠性計算很有必要。目前國內已有的檢修平臺主要以混凝土結構以及鋼架組合結構為主，與混凝土結構相比，鋼結構具有材料強度高、重量輕，抗震性好、施工周期短、造型方便、對環境友好等優點[2-3]。在進行三層作業平臺設備選型時，廠家為了保證安全性，采用了較大截面的工字梁，有限元結果計算顯示該結果安全余量較大。對設備的安全性與經濟性進行博弈，文中通過對鋼結構三層作業平臺進行可靠性分析，并對關鍵部件進行優化，減少用鋼量，節約投資。

1 可靠性設計理論

結構在設計、制造以及使用過程中存在著許多對結構安全、適用以及壽命產生影響的不確定因素，如隨機參數、模糊性以及決策者的技術水平等。傳統的設計方法是根據安全系數來評估對結構安全的影響因素，并未考慮材料、載荷等的隨機性對結構的影響。

隨著計算機水平的快速發展，以概率理論作為評估機械結構可靠性的方法較為全面的考慮了工程結構中存在的隨機因素，降低了對經驗性的依賴，因此該方法已逐漸成為工程結構安全性評估與設計分析的一種常用方法，可靠度理論及方法的完善和發展對結構的安全評估及優化設計具有重要意義。

1.1 可靠性分析

可靠性分析是通過由狀態函數的概率分布求出的可靠性概率，其結果是由影響狀態函數的隨機變量所決定的[4]。狀態函數分別由式Z1、Z2表示：

Z1=[σ]-σ=g1(X)，Z2=[s]-s=g2(X)，

X=[x1,x2,…,xn]

(1)

式中：[σ]為結構強度；σ為計算應力；[s]為結構允許最大變形量；s為計算應力；X為隨機變量參數；n為影響可靠度參數的數量。

一次二階矩法是求解可靠度常用的解析方法，通過將非線性的狀態函數展開成線性狀態函數，從而計算出可靠性指標并求出可靠度。

各隨機變量參數的均值為,將狀態函數在均值點μ處展開成Taylor級數并保留一次項，得到：

(2)

則狀態函數的均值和標準差為：

μZ=g(μX)

(3)

(4)

狀態函數g(X)對各隨機變量X求偏導為：

(5)

則可靠性指標和可靠度分別為：

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1.2 可靠性靈敏度分析

可靠性靈敏度反應了各隨機變量參數對機械可靠度影響的大小，靈敏度絕對值越大，說明該參數對可靠性影響越明顯[5]。根據可靠度計算公式推導出各隨機變量均值和方差的靈敏度計算公式為：

(8)

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2 三層作業平臺強度分析

鋼結構作業平臺屬于乙類建筑，因此，鋼架按7度抗震設防。環境溫度：-5～45 ℃，相對濕度≤95%RH。首先根據某客車所三層作業平臺，建立三層作業平臺三維模型。整個鋼結構平臺長 510 m，其中一層為地面，二層作業平臺距地面高1.25 m，三層作業平臺距地面高4.0 m，作業平臺寬 0.8 m，二層和三層設有高度為1.2 m不銹鋼防護欄。整個鋼結構平臺由雙排 H 型鋼支撐立柱承受所有重量，兩排立柱中心間距9.0 m。立柱之間通過縱梁連接，縱梁長度為9 m，縱梁中間采用方管橫梁連接，方管長度為800 mm。作業平臺現場實物如圖1所示，建立作業平臺三維模型如圖2所示。

圖1 三層作業平臺現場圖

2.1 關鍵部位選擇

三層作業平臺主要承受自重、安裝設備以及作業人員的載荷，載荷形式相對穩定，根據作業平臺在檢修過程中的實際受力情況，選取6處關鍵部位進行強度分析，選擇如圖3所示。

圖3 關鍵部位選擇

2.2 材料屬性

根據鋼結構設計規范，H型鋼及方管主要材質為Q235，材料常數如表1所列。

表1 材料屬性

2.3 有限元模型建立

原結構縱梁采用窄翼緣H型鋼，截面尺寸為H200×100 mm×5.5 mm×8 mm，方管尺寸為120 mm×120 mm×8 mm。通過有限元計算可得，該截面安全余量較大，根據GB/T11263-1998，選取同類型H型鋼，縱梁尺寸為H175×90×5×8，縱梁中間采用方管橫梁連接，方管尺寸為60×60×6。在二層和三層縱梁上鋪設10 mm厚花紋鋼板。

由于作業平臺零部件較多，且每一跨之間的結構完全相同，為了節約計算資源、提高計算效率，選取任意一跨進行疲勞可靠性分析，且對不承重、不影響求解結果的孔以及圓角進行模型簡化。選取Solid 185實體單元對鋼結構作業平臺進行結構離散，由于橫梁與縱梁之間采用焊接連接，為了防止在焊接過程中焊接部位出現應力集中，因此對焊接部位采用更加精細的網格劃分，建立三層作業平臺有限元模型如圖4所示，局部網格精細化劃分如圖5所示，最終得到單元數為35 342個，節點數為231 404個。

圖4 有限元模型

2.4 靜強度分析

根據材料屬性，考慮作業平臺自重，根據文獻[1]，平臺承受載荷為 200 kg/m2；立柱梁的上端與屋頂結構相連接，下端固定于地面上，對作業平臺進行有限元分析，關鍵部位的應力結果見表2所列。

表2 有限元分析結果

根據計算結果可得，最大Von-mises應力為58.9 MPa，小于結構許用應力215 MPa，變形為8.8 mm，小于30 mm[6]，因此靜強度滿足設計要求。

3 可靠性靈敏度分析

根據三層作業平臺的靜強度分析，可靠性狀態函數為：

(13)

(14)

由式(15)可以看出影響作業平臺可靠性的參數為：作業平臺結構許用應力[σ]；載荷q；變形[s]，彈性模量E，其假設都服從正態分布[5,7-8]，則參數如表3所列。

表3 參數表

計算得到兩種截面下作業平臺可靠度如表4所列，其中狀態函數g1(X)可靠度為R1，狀態函數g2(X)可靠度為R2，計算結果如表4所列。

表4 兩種計算方法下的可靠度值

如表所示，新截面H型鋼在兩種不同方法下的可靠度值均大于0.997 4，因此滿足了3σ設計要求，且兩種方法計算得到的可靠度結果非常接近，因此計算結果是可接受的。對兩種截面下的三層作業平臺用鋼量進行計算，計算結果如表5所列。

表5 兩種截面下的用鋼量

4 結 論

(1) 選取新截面的H型鋼及方鋼，對新截面作業平臺進行有限元分析，結果顯示，作業平臺最大應力發生在縱梁與底板連接處，值為28.9 MPa，小于材料的許用應力215 MPa，靜強度滿足設計要求。

(2) 采用一次二階矩法及Monte-Carlo法對新截面進行可靠性分析，可靠度計算結果均大于0.997 4，因此滿足了3σ設計要求。

(3) 根據三層作業平臺實際尺寸，對兩種不同截面下的H型鋼用鋼量進行計算，結果如下表計算結果顯示，三層作業平臺采用新截面相對于原截面，型鋼用量可節約29.6%。

在保證設計安全裕量的基礎上，對H梁截面尺寸進行了重新選型，通過分析可得，新的截面尺寸不僅減少了三層作業平臺自重，也降低了三層作業平臺設備的投資，分析結果對于結構的改進再設計具有一定的參考價值。