某出口自发电长大家畜车强度计算与结构优化设计

袁国庆,张光利,王海静,娄朋超,代鲁平,吴航宇

(1.中车山东机车车辆有限公司,山东 济南 250022;2.中国铁路北京局集团有限公司 丰台车辆段,北京 100024)

由中车山东机车车辆有限公司制造的某出口自发电长大家畜车在标准轨距线路上使用,主要用于装运牛、猪、羊、鸡、鸭等活口家畜家禽。与以往的诸如J1～J6及PJ、PJ2、PJ3等型号的家畜车[1-2]相比,该新造家畜车具有车型长、载重大、运输货物多样化等优点,同时也对车体刚度、强度的安全可靠性提出了更高的要求。轨道车辆为大型的空间焊接结构,采用CAE技术可对车辆的强度性能及安全可靠性进行快速评估及优化改进[3]。本文以某出口自发电长大家畜车为研究对象,依据标准TB/T 3550.2—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第2部分:货车车体》规定的载荷工况及评估准则,对车体进行静强度及刚度计算,对底架、侧墙、车顶等关键承载结构进行优化设计,并通过样车试验对车体结构进行强度验证。

1 车体结构及主要技术参数

车体为全钢焊接整体承载结构,由底架、上层底架、端侧墙、隔墙、栅栏墙及车顶等部件组成。底架由中梁、侧梁、枕梁、端梁、大小横梁、钢地板组焊而成,中梁由310热轧乙字型钢组焊成“几”形梁结构,侧梁为冷弯型钢组焊成的鱼腹形结构,中侧梁材质均为Q450NQR1高强度耐候钢。端侧墙主要由上侧梁、立柱、斜撑、腰带、栅栏、墙板等组成,其中扁钢栅栏材质为Q235B,端侧墙其余型钢板材主要为Q345NQR2。车顶为5段折弯板梁结构,主要由边梁、端梁、弯梁、纵梁等组焊而成,梁结构主要材质为Q355B。车体主要技术参数见表1。

表1 车体主要结构参数

2 车体结构有限元分析

2.1 车体有限元模型

建立该车体有限元计算模型时,进行了适当简化,凡是对该车整体刚度及局部强度有贡献的结构,都予以考虑,模型构成以任意四节点等薄壳单元为主,与梁单元、板单元相比,壳单元由于考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应,因而具有更高的计算精度[4]。整车有限元模型的单元总数为693 323,节点总数为780 612。车体结构有限元模型如图1所示。

图1 车体结构有限元模型

2.2 计算载荷工况

根据标准TB/T 3550.2—2019的要求,作用在车体上的载荷有以下6种:

(2) 垂向动载荷:垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数计算得出。

其中,垂向动荷系数Kdy计算如式(1)所示:

(1)

式中:fj为车辆在垂向静载荷下的弹簧当量静挠度,取值为52.2 mm;v为商业运行速度;a、b、c、d为家畜车的计算系数,a=1.500、b=0.050、c=0.427、d=1.650。

计算得出垂向动载荷Fcd=Fcj·Kdy=630.79×0.24=151.39 kN。

(3) 侧向力:侧向力按照增加垂向静载荷的10%来计算。

(4) 纵向力:第一工况中,纵向拉伸力为1 125 kN,纵向压缩力为1 400 kN;第二工况中,纵向压缩力为2 250 kN。

(5) 扭转载荷:扭转载荷取值为40 kN·m。

(6) 顶车载荷:在车体任何一端枕梁的两侧,顶起满载的车体。

根据标准TB/T 3550.2—2019的规定并结合该车的实际运行状态,车体承受的组合工况见表2。

表2 组合工况汇总表

2.3 评估准则

根据标准TB/T 3550.2—2019的要求,在第一工况、第二工况、顶车工况下车体各部件的利用率应不大于1,利用率U计算公式如式(2)所示:

(2)

式中:σc为计算或试验应力,MPa;S为安全系数;R为屈服极限,MPa。

车体各部件材质在各工况下的性能参数见表3。

表3 车体材质各工况下的性能参数表

根据标准TB/T 3550.2—2019,该车为整体承载结构,车体垂向弯曲刚度采用挠跨比评价如式(3)、式(4)所示:

fz/l2≤1/1 500

(3)

fc/l2≤1/2 000

(4)

式中:fz、fc分别为中梁、侧梁中央挠度,mm;l2为车辆定距,mm。

在垂向静载荷作用下,中梁挠度不应超过21 200/1 500=14.13 mm;侧梁挠度不应超过21 200/2 000=10.6 mm。

3 车体关键结构优化设计

3.1 车体刚度优化设计

在垂向静载荷作用下,家畜车车体刚度初步计算结果如图2所示,可以看出,侧梁变形为11.6 mm,超侧梁变形许用值10.6 mm,不满足刚度要求。为提高底架刚度,将等截面槽钢侧梁更改为变截面鱼腹形侧梁,增大侧梁横断面尺寸,结构更改后的刚度计算结果如图3所示,侧梁变形为9.5 mm,低于许用值,车体刚度改善明显,满足标准要求。

图2 车体刚度初步计算结果

图3 底架结构优化后刚度计算结果

3.2 车体侧墙强度优化设计

在第一压缩组合工况下,车体侧墙强度初步计算结果如图4所示。从图4可知,侧墙斜撑、立柱等主要支撑结构(材料为Q345NQR2)应力均超许用值216 MPa,斜撑根部处扁钢(材料为Q235B)应力超许用值161 MPa,侧墙结构强度偏弱,不满足标准要求,需要进行结构优化。

图4 车体侧墙强度初步计算结果

通过对家畜车进行受力分析,斜撑为侧墙主要承载结构且受力复杂,侧墙根部扁钢在斜撑、立柱的拉压作用下,在焊缝处造成应力集中。现通过优化斜撑和扁钢结构提高侧墙强度,将侧墙斜撑由角钢更换为槽钢,提高侧墙斜撑整体强度,同时在斜撑根部加补板组成箱形结构,进而对侧墙斜撑进行局部加强;将侧墙底部的3根扁钢更换为板材,形成板梁结构。对优化后的侧墙进行强度校核,在第一压缩组合工况下,侧墙应力结果如图5所示,可以看出,侧墙斜撑最大应力为195.15 MPa,低于许用值216 MPa,侧墙扁钢最大应力为153.73 MPa,低于许用值161 MPa,优化后侧墙强度满足标准要求。

图5 侧墙结构优化后强度结果

3.3 车顶结构优化设计

家畜车车顶初步方案采用圆弧车顶,该车顶方案结构如图6所示。圆弧车顶方案车体的刚度和强度均满足标准TB/T 3550.2—2019的要求,但从工艺制造的角度考虑,该圆弧车顶弯梁均为角钢且数量较多,角钢不易折弯,且折弯后对接精度不好保证,仍需对车顶进行结构优化,以降低工艺制造难度,提高生产效率。

图6 家畜车圆弧车顶结构图

保持车顶端梁和边梁结构不变,家畜车圆弧顶方案改为折弯顶,折弯顶方案相对于圆弧顶方案易出现超限界问题,将车顶方案改为5段折弯车顶后,对车体进行限界检查;纵梁结构采用5列纵向角钢梁,并移至横梁折弯角处;弯梁结构采用角钢与扁钢相间分布的布置方式,车顶优化后结构如图7所示。经有限元分析计算,折弯顶方案车体刚度和强度均满足标准TB/T 3550.2—2019的要求。

图7 家畜车车顶优化后结构图

4 车体优化后计算结果及试验验证

4.1 车体刚度结果

家畜车经底架、侧墙、车顶等关键结构优化后,在垂向刚度工况下,车体中梁的最大变形为8.3 mm,车体侧梁的最大变形为8.1 mm,均低于相应的挠度许用值,满足标准TB/T 3550.2—2019的刚度要求,车体变形如图8所示。

图8 刚度工况变形图

4.2 车体强度结果

车体在各合成工况下的应力结果如表4所示,由表4可知,车体在各计算工况下材料的利用率均小于1,符合标准TB/T 3550.2—2019的要求。由于篇幅限制仅展示第一拉伸组合工况的应力结果,如图9所示。

图9 第一拉伸组合工况应力结果

表4 各计算工况车体应力汇总 MPa

4.3 车体静强度试验验证

样车试制完成后,根据标准TB/T 3550.2—2019对车体进行了静强度和刚度试验。试验结果表明,车体静强度和刚度均满足标准要求[5]。选取第一压缩组合工况,对车体关键结构处的应力进行仿真和试验对比分析,对比结果见表5。从表5可知,仿真和试验结果对比误差在10%以内,误差在可接受范围内,从而说明有限元分析模型具有一定的可靠性,方案设计阶段采用仿真方法进行的结构优化设计方案同样具有一定的可信度。

表5 第一压缩组合工况部分关键测点仿真和试验对比结果

5 结论

本文通过对某出口自发电长大家畜车车体进行有限元分析计算和结构优化,得出以下结论:

(1) 家畜车车体底架、侧墙、车顶等关键结构经优化后,车体的静强度和刚度均满足标准TB/T 3550.2—2019的要求;

(2) 样车试验结果表明,车体静强度和刚度均满足标准TB/T 3550.2—2019的要求,且车体关键结构的强度结果仿真与试验对比误差在可接受范围内,从而验证了有限元分析模型的可靠性,基于此分析模型的结构优化和改进方案同样具有一定的准确性和可靠性;

(3) 在方案设计阶段,通过有限元方法对车体进行强度分析,可在样车试制之前发现设计缺陷,并通过设计优化方案予以解决,极大地提高了样车强度试验通过率,缩短了研发周期。