機車車體典型焊接接頭應(yīng)力分析

劉斌

摘要：目前，重載機車車體牽引梁與中梁過渡區(qū)域的焊接接頭，存在著理論分析不一致于試驗結(jié)果的現(xiàn)象。為解決此類問題，本文圍繞重載電力機車車體車體牽引梁與中梁過渡區(qū)域典型焊接接頭，采取兩種離散模擬方式，分別為殼單元和實體單元，通過模擬試驗并與理論對比分析。實驗?zāi)康臑榉治鰞煞N離散模擬對典型焊接接頭應(yīng)力分布的影響。試驗結(jié)果表明實體單元模擬典型焊接接頭區(qū)域具備較高的計算精度，而模擬典型焊接接頭應(yīng)力分布方面相較于殼單元，可呈現(xiàn)良好的應(yīng)力集中效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：機車車體;典型焊接接頭;單元類型;應(yīng)力分析;有限元法

引言

機車車體作為列車的主體機構(gòu)，主要作用在于為機車整體傳遞縱向牽引力以及制動力。車體的壽命與縱向承載力有著密切的關(guān)聯(lián)，目前，重載電力機車車體結(jié)構(gòu)中焊接結(jié)構(gòu)的強度備受重視，因此采用有限元仿真模擬的形式，比較殼單元與實體單元對典型焊接接頭結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果的影響，優(yōu)化典型焊接接頭結(jié)構(gòu)，為車體車體結(jié)構(gòu)的靜強度保駕護航。

一、結(jié)構(gòu)強度分析原理

（一）焊縫接頭有限元模型處理

本文焊縫建模采用實體模型以及殼FE模型，兩種模型的區(qū)別在于：首先，實體模型焊縫需要做建模處理，焊縫分為3層網(wǎng)格，呈現(xiàn)45坡角以及0焊趾過渡半徑外觀分布在薄板上;其次，殼模型焊縫在一般情況下不做建模處理[1]。

（二）確定載荷工況

重載機車車體縱向力決定車體結(jié)構(gòu)的樣式以及車體內(nèi)部零部件的質(zhì)量。承重量超過萬噸的機車，車體所需的縱向壓縮以及拉伸載荷須達到3600kN以及3000kN。本文所設(shè)計的車體結(jié)構(gòu)，包含內(nèi)部設(shè)備在內(nèi)，總重量為75600kg。

（三）評定車體靜強度

機車車體的制作材質(zhì)為6-16mm厚度的鋼板，其中車體靜強度在滿足縱向拉伸和壓縮載荷工況的載荷作用下，許用應(yīng)力應(yīng)大于最大等效應(yīng)力，母材以及焊縫處的安全系數(shù)需在1.0以及1.1以上。當鋼板的厚度處于6～16mm區(qū)間時，母材以及焊縫許用應(yīng)力為315MPa、286MPa;厚度超過16mm，兩者許應(yīng)力分別為295MPa以及268MPa。

二、車體有限元模型的建立與仿真

（一）殼單元模型

選用ANSYS有限元軟件，對整個車體進行殼單元有限元分析。車體結(jié)構(gòu)有限元模型包含車體主構(gòu)造、安裝座、車內(nèi)設(shè)備以及懸掛系統(tǒng)。其中殼單元離散應(yīng)用于車體底架、牽引梁與中梁過渡區(qū)域、司機室等在內(nèi)的主體構(gòu)造;實體單元離散減振器等安裝座;設(shè)備質(zhì)量以及懸掛系統(tǒng)離散采用三維質(zhì)量單元、三維彈簧單元。

（二）實體單元模型

實體單元建模一方面需要針對焊縫進行建模，3層厚度，規(guī)格為5mm每單元，另一方面牽引梁向中梁過渡范圍內(nèi)所表現(xiàn)出的應(yīng)力分布，需重點關(guān)注。

三、殼單元與實體單元理論分析與試驗結(jié)果對比

（一）理論結(jié)果

殼單元和實體單元理論結(jié)果差異性明顯，后者要高于前者。試驗在牽引梁與中梁過渡區(qū)域焊趾處選擇a、b兩個測試點，其中，殼單元在縱向壓縮和拉伸載荷工況中，兩個測試點的最大等效應(yīng)力達到183.31MPa和184.77MPa，而焊縫許用應(yīng)力為268MPa，最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力。

實體單元a、b兩個測試點壓縮載荷以及拉伸載荷分別選擇3600kN以及3000kN，測試點a縱向縮載荷以及拉伸載荷平均值為290.859MPa以及248.698MPa;測試點b縱向壓縮載荷以及拉伸載荷平均值303.238MPa以及248.635MPa。縱向拉伸以及壓縮載荷工況下的焊縫處的許用應(yīng)力為268MPa。因此最大等效應(yīng)力大于許應(yīng)力，車體結(jié)構(gòu)的靜強度偏離標準。

（二）試驗結(jié)果

為了滿足汽車線路的運行要求，車體結(jié)構(gòu)在縱向壓縮和拉伸載荷工況下，進行縱向壓縮和拉伸試驗，目的是為了測試縱向壓縮和拉伸縱向力是否能夠滿足車體結(jié)構(gòu)的靜強度。實驗并不是一次就可完成的，預(yù)壓縮載荷縱向以及預(yù)拉縱向力分別從最初的2800kN以及2500kNn，在多次實驗下逐步遞增，預(yù)壓縮載荷縱向力最高可達3600kN;而預(yù)拉伸縱向力最高可達3000kN。其中a、b兩個測試點在中向壓縮載荷工況下所測得268MPa等效應(yīng)力值，整體的車體結(jié)構(gòu)增強度處于不標準范圍，還需做進一步的優(yōu)化[2]。

（三）試驗結(jié)果與理論結(jié)果對比分析

牽引梁和中梁過渡區(qū)域圍繞殼單元和實體單元，所產(chǎn)生的實驗和有限元模擬分析結(jié)果，在經(jīng)過對比之后可以發(fā)現(xiàn)圍繞a、b兩個不同區(qū)域所獲得的等效應(yīng)力值有些許的差別。例如實體單元兩區(qū)域的等效應(yīng)力值接近于實驗值，而殼單元實驗值要大于等效應(yīng)力值。因此為保證在進行高應(yīng)力集中效應(yīng)區(qū)域焊接時，能夠獲得較為準確的應(yīng)力分析，可借助實體單元做網(wǎng)格劃分，以確保所獲得的應(yīng)力分級結(jié)果精確且真實。

四、牽引梁與中梁過渡區(qū)局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前機車車體牽引梁與中梁過渡區(qū)焊接接頭應(yīng)力水平，超出標準的原因有兩方面：一是該區(qū)域內(nèi)車體的結(jié)構(gòu)無法達到高質(zhì)量的高度要求，剛度失衡破壞應(yīng)力水平之間的平衡狀態(tài);第二大原因車體的縱向中心線、縱向力的作用線交叉或平行，兩條線始終無法無法出現(xiàn)在同一直線上。為達到優(yōu)化過渡區(qū)域應(yīng)力分布的目的，可采取措施對過渡區(qū)域的剛度做有效改善。

例如，選擇兩塊厚度為20毫米的縱向筋板安裝在中梁內(nèi)部對稱區(qū)域，改善車體結(jié)構(gòu)。并經(jīng)過實驗測得縱向壓縮以及拉伸工況下最大等效應(yīng)力以及安全系數(shù)，與焊縫268MPa的許用應(yīng)力以及1.1的安全系數(shù)相比，最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力，安全系數(shù)超出1.1，因此車體結(jié)構(gòu)的靜強度已處于合格狀態(tài)。

五、結(jié)論

綜上所述，重載電力機車車體的焊接接頭區(qū)域，在縱向壓縮和拉伸載荷工況下呈現(xiàn)出不同的應(yīng)力分布，通過建立殼單元以及實體單元有限元模型，優(yōu)化焊接接頭區(qū)域結(jié)構(gòu)。通過理論和實驗的對比，可以發(fā)現(xiàn)實體單元具有較為精準的仿真模擬結(jié)果，同時通過網(wǎng)格劃分可以有效集中用力，加強焊接接頭區(qū)域剛度強度，促使車體的工作應(yīng)力水平維持在標準狀態(tài)。

參考文獻

[1]金希紅，袁文輝.重載電力機車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化分析[J].電力機車與城軌車輛，2012.35（5）.

[2]唐斌.張大濤.地鐵信號的列車防護解除及應(yīng)用[J].機車電傳動，2015（1）：?62-64.