靜強度仿真計算中車體結構不連續部位高應力的修正

拜雪玲

摘 要：參照AAR標準的規定，對我國鐵路罐車車體結構不連續部位由于采用線性算法造成高出材料屈服強度的應力，借鑒Neuber法則等效應力曲線進行修正，并采用修正后的應力對車體結構強度進行評價，使車體結構強度評價更合理。

關鍵詞：結構不連續；Neuber法則等效應力曲線；應力修正；評價

1 問題的提出

鐵路貨車車體靜強度仿真計算一般采用線性算法，對超出材料屈服強度的應力仍按材料的彈性模量進行計算，沒有考慮材料非線性的影響，這樣會導致車體結構不連續部位在載荷作用下出現很高的應力，遠超出材料的許用應力，但這樣的應力是不真實的，在現實結構中不會出現，對于這種由于計算方法的局限而造成的高應力到底應該如何進行評價，給我們提出了一個問題。

2 國內外的相關規定

2.1 國內的處理方法

目前國內鐵路貨車車體靜強度計算及試驗標準沒有對上述問題給出明確的說法，各公司對該問題的一般做法是對車體結構不連續部位出現超出標準規定許用應力的情況，通過不斷優化結構來降低這些部位的應力，直至計算出來的應力達到標準規定的要求。在我公司80t級輕粘油鐵路罐車設計過程中，車體靜強度仿真計算出牽引梁立焊縫起始處應力比較大，超出了TB/T1335-1996的要求，為此我們對該部位結構優化進行了大量的工作，最后確定采用在該部位增加兩個圓弧形的連接板，連接板分別與枕梁腹板、牽引梁腹板焊接在一起，優化后的結構計算應力滿足TB/T1335-1996的要求。

2.2 AAR標準中的規定

AAR標準（2007版）CⅡ分冊第7章7.7.7.4中指出，由于車體中必然包括結構非常不連續部位，這些部位在載荷的作用下可能會出現局部的材料屈服，在線性有限元分析中沒有包括這些部位實際結構中會發生的材料屈服的影響，因此會計算出非常高的應力，但在實際結構中并沒有發生很高的應力集中，輸出這些高的計算應力是不真實的，因為它們是受分析方法限制的結果而不是結構本身引起的，可以用Neuber法則（《用任意非線性應力-應變法則的剪應變柱體的應力集中理論》做一個真實應力的估算。AAR標準中給出了屈服強度為345MPa材料的修正曲線，如圖1所示，很明顯，應力可以轉化為可以與材料的屈服強度相比較的等效應力。分析時應該用等效應力進行評定。

圖1 Neuber法則等效應力-50ksi屈服材料

該修正曲線的水平軸對Neuber法則等效應力曲線，表示仿真計算出的應力（單位為ksi），對材料應力-應變曲線，代表應變（10個單位代表1000微應變）。

3 我國鐵路罐車車體結構不連續部位參照AAR標準進行應力修正的可行性分析

AAR標準對鐵路貨車車體靜強度仿真計算工況及考核標準作出了明確的規定，對每一工況各載荷規定了相應的載荷系數，仿真計算加載時對各工況的載荷乘以相應的載荷系數，對計算超出材料屈服強度的應力按照Neuber法則等效應力曲線進行修正，并采用修正后的應力與所用材料的屈服強度（或80%的抗拉強度，取小值）進行比較，以此來確定結構強度是否滿足標準對車體靜強度的要求。

與AAR標準不同，我國TB/T1335-1996對車體靜強度考核是采用材料的許用應力進行，各工況的許用應力由材料屈服強度除以相應的安全系數確定。對線性計算而言，TB/T1335-1996的安全系數可以轉化為載荷系數，在車體靜強度計算時，參照AAR標準，對各工況的計算載荷均乘以相應的載荷系數（取各工況相應的安全系數），計算應力超出屈服強度時進行應力修正，然后采用材料的屈服強度來考核車體強度。AAR標準中給出了屈服強度為345MPa材料的Neuber法則等效應力修正曲線，在我國鐵路罐車車體結構不連續部位進行應力修正時可借鑒使用。

4 鐵路罐車結構不連續部位應力修正實例

無中梁鐵路罐車牽引梁立焊縫起始處及側管支柱與枕梁上蓋板連接處由于結構不連續，車體靜強度仿真計算采用線性計算方法，在第一工況壓縮組合載荷作用下表現出比較大的應力。

4.1 按照TB/T1335-1996計算

以GQ70型罐車為例，按照TB1335/T-1996規定的載荷工況對該車進行了計算，重點考查牽引梁立焊縫起始處及側管支柱與枕梁上蓋板等結構不連續處應力，在第一工況壓縮組合載荷作用下，牽引梁立焊縫起始處應力為276MPa，側管支柱與枕梁上蓋板連接處最大應力為235MPa。這兩個部位材料為Q345A，第一工況許用應力為216MPa，按照傳統做法，這兩個部位計算應力已經超出許用應力，需要進行結構優化設計。

4.2 參照AAR標準進行應力修正

按照第3部分陳述的思路，對GQ70型罐車第一工況壓縮組合載荷的各載荷分別乘以載荷系數（取第一工況低合金鋼的安全系數1.6）重新進行計算，在該載荷作用下，牽引梁立焊縫起始處應力為441MPa，側管支柱與枕梁上蓋板連接處最大應力為377MPa。

上述兩個部位線性計算應力已經超出其所用材料Q345A的屈服強度345MPa，需要對計算應力進行修正以得到真實應力，由于其所用的材料與圖1（Neuber法則等效應力-50ksi屈服材料）給定的材料屈服強度相同，可以借鑒圖1進行應力修正，經過計算，牽引梁立焊縫處真實應力為329MPa，側管支柱與枕梁上蓋板連接處真實應力為322MPa，修正后的應力小于材料的屈服強度345MPa，可以判定這兩個部位的強度是能夠滿足要求的。

截至目前，GQ70型輕油罐車已經過一個廠修期的運用考核，牽引梁立焊縫起始處及側管支柱與枕梁上蓋板連接部位狀態良好。

5 結束語

AAR標準Neuber法則等效應力曲線為我們提供了對車體結構不連續部位高應力進行修正的可能性，建議在我國鐵路罐車車體靜強度計算中借鑒采用，使我們對車體結構靜強度的評價更合理。

參考文獻

[1]AAR標準（2007版）CⅡ分冊[S].

[2]TB/T1335-1996.鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].