機(jī)車?yán)鋮s間鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析

崔洪江，趙猛

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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機(jī)車?yán)鋮s間鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析

崔洪江，趙猛

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

以機(jī)車?yán)鋮s間鋼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，進(jìn)行有限元計(jì)算分析.明確了在峰值加速度下應(yīng)力與變形的分布范圍，確定結(jié)構(gòu)最薄弱的部位為鋼結(jié)構(gòu)與機(jī)車底板螺栓結(jié)合處，計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求.在滿足許用應(yīng)力的條件下，以黃金分割的思想改變螺栓的位置，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力的預(yù)期目的，最終得出優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型.

機(jī)車?yán)鋮s間；鋼結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；有限元分析

0 引言

在現(xiàn)代運(yùn)輸系統(tǒng)中,高速鐵路得到了極為快速的發(fā)展.與航空和高速公路相比,它還有節(jié)約能源和減輕環(huán)境污染的優(yōu)勢(shì),也符合可持續(xù)發(fā)展的要求.因此,高速鐵路的發(fā)展是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然選擇,也是解決交通運(yùn)輸問題的有效途徑.過去,機(jī)車車輛承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要采用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等的計(jì)算方法,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元法的廣泛采用,機(jī)車車輛承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法現(xiàn)在主要采用有限元法.通過有限元法進(jìn)行分析計(jì)算,分析結(jié)構(gòu)承載的載荷是否達(dá)到所允許的最大應(yīng)力和變形,判斷零部件能否滿足設(shè)計(jì)要求,以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性[1].

本文針對(duì)機(jī)車?yán)鋮s間鋼結(jié)構(gòu)，利用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了有限元分析.依據(jù)高速列車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，從而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行了校核與驗(yàn)證.同時(shí)提出采用黃金分割的思想改變固定螺栓的位置，以得到較好的優(yōu)化模型，降低結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力.

1 機(jī)車?yán)鋮s間結(jié)構(gòu)描述

機(jī)車?yán)鋮s間是機(jī)車的重要組成部分，主要由鋼骨架、冷卻風(fēng)扇、牽引電動(dòng)機(jī)、冷卻風(fēng)扇電機(jī)、散熱器、水箱鋼機(jī)構(gòu)、車底板構(gòu)成.冷卻間鋼結(jié)構(gòu)的材料為Q460E，它屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，材料的密度ρ=7.85 kg/m3、彈性模量E=2.06×105MPa、泊松比μ=0.3.冷卻間結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

表1 冷卻間結(jié)構(gòu)參數(shù)

注:1.散熱器重量不包括水的重量(330 kg);

2.膨脹水箱重量不包括水的重量(260 kg).

2 機(jī)車?yán)鋮s間強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

按照材料力學(xué)強(qiáng)度理論的要求，由于結(jié)構(gòu)鋼屬于塑性材料，故采用屈服極限來考核.根據(jù)第四強(qiáng)度理論，在規(guī)定的靜強(qiáng)度載荷工況下，當(dāng)量應(yīng)力(Von mises應(yīng)力)不得超過材料的許用應(yīng)力，即σe≤[σ]為滿足實(shí)際工程的需要，允許計(jì)算值超過許用應(yīng)力值的5%.公式如下[2]：

(1)

[σ]=σs/ s= 460/1.51=304.63MPa

式中,σe為當(dāng)量應(yīng)力，MPa；σi為主應(yīng)力(i=1,2,3)，MPa；S 為安全系數(shù)，這里取1.51.

材料在處于彈性階段時(shí)，根據(jù)胡克定律公式如下[3]：

(2)

式中,Δl為伸長(zhǎng)量，mm；A 為橫截面積，mm2；E為彈性模量.

TBT 1335-1996[2]中規(guī)定，車體的撓跨比評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如下：

(3)

式中,f為撓度，m；L為車輛定距，m.

3 有限元計(jì)算分析

有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化,用有限個(gè)容易分析的單元來表示復(fù)雜的對(duì)象,單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接,然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件和節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力平衡條件綜合求解[4].

利用UG軟件建立三維鋼結(jié)構(gòu)模型，完成后的模型如圖1所示.

圖1 冷卻間鋼結(jié)構(gòu)三維模型圖

鋼結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到ANSYS平臺(tái)后，采用靜力分析模塊進(jìn)行有限元分析計(jì)算.由網(wǎng)格工具劃分計(jì)算網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)共有單元986 147個(gè)，節(jié)點(diǎn)1 863 572個(gè)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示.

圖2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)GB/T 21563-2008/IEC 61373:1999標(biāo)準(zhǔn)[5]，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施加載荷，其中縱向、橫向、垂向的靜強(qiáng)度加速度分別為50、30、30 m/s2，且在風(fēng)機(jī)固定裝置、水箱支架、散熱器位置處的靜強(qiáng)度載荷分別為0.049、1 971.8、0.034 MPa.

冷卻間鋼結(jié)構(gòu)連同供水水箱支架在峰值加速度載荷作用工況下固定螺栓的等效應(yīng)力為288.55 MPa.該值小于由式(1)計(jì)算得到的許用應(yīng)力304.63 MPa，滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn).

圖3為鋼結(jié)構(gòu)的位移變化云圖,最大位移發(fā)生在鋼結(jié)構(gòu)的斜拉筋處，數(shù)值為2.08 mm.該值小于由式(3)計(jì)算得到的撓度值18 mm，滿足變形要求.圖4為螺栓處應(yīng)力值達(dá)到最大時(shí)的放大云圖.

圖3 鋼結(jié)構(gòu)位移變化云圖

圖4 螺栓處最大應(yīng)力放大云圖

4 模型優(yōu)化

根據(jù)黃金分割的思想，將螺栓距底板左邊界位置826、2 446、4 066 mm改為1 157、3 028、4 899 mm，同時(shí)避免了豎梁與螺栓應(yīng)力集中的情況.螺栓位置改變前后對(duì)比如圖5所示，應(yīng)力變化如圖6所示.

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后

優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值由原來的288.55 MPa降至266.92 MPa,小于許用應(yīng)力304.63 MPa，應(yīng)力值約降低了7.5%.最大位移稍有增加，由原來的2.075 6 mm增加到2.160 9 mm，但是其值只有0.085 3 mm，相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的大尺寸可以忽略不計(jì).

5 結(jié)論

(1)靜態(tài)強(qiáng)度用來保證鋼結(jié)構(gòu)的安全性.通過數(shù)值仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力值發(fā)生在車底板與鋼結(jié)構(gòu)螺栓結(jié)合處，其值小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；

(2)結(jié)合黃金分割的思想，改變固定螺栓的位置排列，最大應(yīng)力仍然是在固定螺栓的螺栓桿上，但是應(yīng)力值約降低了7.5%，使得機(jī)車在運(yùn)行過程中更加的安全可靠.

[1]張志華，宋永增.動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 1335-1996 鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,1996.

[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[4]江見鯨.有限元法及其應(yīng)用.[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 21563-2008/IEC 61373:1999 軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Strength Computation Analysis of Steel Structure of Locomotive Cooling

CUI Hongjiang，ZHAO Meng

(School of Traffic &Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

Aiming at the locomotive cooling of steel structure and using finite element analysis,the distribution of stress and deformation under peak acceleration is determined,and the weakest part of the structure is the bolt junction between the steel structure and locomotive base plate.The result satisfies the requirement of strength design criteria.Under the condition of allowable stress,the position of the bolt is changed to reduce the expected stress,and the optimizing structure model is obtained.

locomotive cooling；steel structure；strength；finite element analysis

1673- 9590(2016)03- 0057- 03

2015- 08- 20

崔洪江(1972-),男，副教授,博士，主要從事機(jī)車車輛空氣動(dòng)力學(xué)的研究E-mail:randycui@163.com.

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