基于ANSYS分析的漏斗車側支撐結構穩定性研究

馮創友 劉兵 楊艷萍 黃盼 江明星

摘要：本文針對出口阿根廷K75-ARG型漏斗車端部側支撐組成在首次試驗的頂車工況時出現大變形問題，分析變形原因，并通過有限元分析軟件ANSYS對端部側支撐組成在頂車工況下進行了穩定性分析，提出合理的解決方案，并通過第三方試驗驗證。

關鍵詞：漏斗車;穩定性;分析

中圖分類號：U272.6+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0049-02

0? 引言

中車眉山車輛有限公司于2015年為阿根廷鐵路設計制造了K75-ARG型漏斗車（以下簡稱“漏斗車”），該車車體鋼結構靜強度和剛度滿足TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及實驗鑒定規范》。樣車首次靜強度試驗中，頂車工況出現了端墻兩側的側支撐組成變形較大問題（如圖1所示），該區域的最大等效應力較小，是典型的小應力區產生大變形現象，即局部結構出現了失穩破壞。本文利用大型有限元分析軟件的屈曲分析模塊，對上述問題進行仿真再現，并給出了問題的解決措施。

1? 屈曲分析概述

屈曲分析是一種用于確定結構開始變得不穩定時的臨界載荷和屈曲模態形狀的技術。包括線性屈曲分析和非線性屈曲分析，線性屈曲分析又稱為特征值屈曲分析。

線性屈曲分析用于預測一個理想彈性結構的理論屈曲強度（分叉點），該方法相當于教科書里的彈性屈曲分析方法。但是，初始缺陷和非線性使得很多實際結構都不是在其理論彈性屈曲強度處發生屈曲。因此，特征值屈曲分析經常得出非保守結果，通常不能用于實際的工程分析。

非線性屈曲分析是一種典型而且重要的幾何非線性分析，常用于對實際結構的設計或計算。模型中可以包括諸如初始塑性、缺陷、大變形響應等特征，該方法用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術來求得使結構開始變得不穩定時的臨界載荷。

2? 仿真分析及結構優化

2.1 原方案有限元分析

該漏斗車車體為鋼板整體焊接結構，計算模型如圖2所示。頂車工況下的屈曲分析，作用在模型上的載荷有車體自重、載重75t、頂車載荷。在線性屈曲分析過程中，如某些荷載是常數（如自重荷載），而其他荷載是可變的（如外荷載），則必須要確保從常數荷載得到的剛度，在特征值求解時不被縮放。為達到這一目的的一個策略，采用在特征解上迭代，調整可變荷載，直到特征值變成1.0（或接近1.0，即允許一些收斂容差），用這種迭代方法來得到最終外載荷就是臨界屈曲載荷。原方案線性屈曲分析時，逐步調節施加的頂車載荷，使特征值接近1（如圖2所示），計算出臨界載荷為33.6t，小于試驗時頂車墊板上施加的43.14t。

2.2 原因分析及解決措施

原方案考慮到標記涂打的位置以及牽引梁段的風制動裝置、卸貨控制系統的布置空間，將端墻設計成新型的板柱-立板結構，側支撐組成由側立板（5mm）和封板組成T型結構，側立板內側面焊有封閉三角形補強邊框，側支撐組成僅靠幾條角接焊縫與車體焊接。頂車工況試驗時，側支撐組成直接承受來自頂車墊板試驗載荷，將形成兩端受壓的薄板結構，容易導致結構失穩。加強方案在兩側的側支撐處組焊一根連接端橫帶與枕梁上蓋板的斜撐（如圖3所示），使頂車載荷通過新增的斜撐傳遞到端橫帶，進而整個端墻結構承受頂車載荷作用。

2.3 加強方案有限元分析

加強方案線性屈曲分析時，計算得出加強方案屈曲臨界載荷為51.2t，對加強方案進行了非線性屈曲分析。采用弧長法，施加線性屈曲分析的臨界載荷作為給定載荷，并繪制出屈曲點沿車體橫向的變形曲線（如圖4所示），計算出臨界載荷為46.6t，大于試驗載荷43.15t。

3? 試驗驗證

2015年8月，第三方試驗機構（西南交通大學牽引動力國家試驗室）在中車眉山車輛有限公司產品性能實驗室完成了該漏斗車車體靜強度試驗。所有測點的頂車合成應力均小于所用材料的屈服極限，頂車位及其附近結構無永久變形，頂車工況順利通過試驗驗證。

4? 結論

本文以出口阿根廷K75-ARG型漏斗車靜強度試驗中出現的側支撐外脹現象為研究對象，分析了出現外脹的原因。采用ANSYS軟件完成了頂車工況的線性和非線性屈曲分析，提出了合理的解決失穩問題的技術措施，算結果表明：加強方案的側支撐臨界屈曲載荷遠大于頂車工況的頂車載荷。第三方試驗結果表明，該技術措施圓滿的解決了側支撐組成的失穩失效問題。通過本文研究表明，有大面積薄板結構的車體設計時，應進行按相關標準的各工況線性屈曲分析，對于其臨界載荷值接近標準規定的試驗值時（約為1.2倍），應進行更為復雜的非線性屈曲分析，以便在有限的研發周期里確保結構的可靠性和穩定性。

參考文獻：

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