機車冷卻間鋼結構強度計算分析

崔洪江，趙猛

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

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機車冷卻間鋼結構強度計算分析

崔洪江，趙猛

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

以機車冷卻間鋼結構為研究對象，進行有限元計算分析.明確了在峰值加速度下應力與變形的分布范圍，確定結構最薄弱的部位為鋼結構與機車底板螺栓結合處，計算結果滿足強度設計標準要求.在滿足許用應力的條件下，以黃金分割的思想改變螺栓的位置，達到降低結構計算應力的預期目的，最終得出優化結構模型.

機車冷卻間；鋼結構；強度；有限元分析

0 引言

在現代運輸系統中,高速鐵路得到了極為快速的發展.與航空和高速公路相比,它還有節約能源和減輕環境污染的優勢,也符合可持續發展的要求.因此,高速鐵路的發展是社會經濟發展的必然選擇,也是解決交通運輸問題的有效途徑.過去,機車車輛承載結構強度分析主要采用材料力學、結構力學、彈性力學等的計算方法,隨著計算機技術的發展和有限元法的廣泛采用,機車車輛承載結構強度分析方法現在主要采用有限元法.通過有限元法進行分析計算,分析結構承載的載荷是否達到所允許的最大應力和變形,判斷零部件能否滿足設計要求,以檢驗設計的合理性[1].

本文針對機車冷卻間鋼結構，利用大型有限元分析軟件ANSYS進行了有限元分析.依據高速列車的相關標準進行了強度計算，從而對結構設計的安全性進行了校核與驗證.同時提出采用黃金分割的思想改變固定螺栓的位置，以得到較好的優化模型，降低結構的工作應力.

1 機車冷卻間結構描述

機車冷卻間是機車的重要組成部分，主要由鋼骨架、冷卻風扇、牽引電動機、冷卻風扇電機、散熱器、水箱鋼機構、車底板構成.冷卻間鋼結構的材料為Q460E，它屬于低合金結構鋼，材料的密度ρ=7.85 kg/m3、彈性模量E=2.06×105MPa、泊松比μ=0.3.冷卻間結構參數見表1.

表1 冷卻間結構參數

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 機車冷卻間強度設計標準

按照材料力學強度理論的要求，由于結構鋼屬于塑性材料，故采用屈服極限來考核.根據第四強度理論，在規定的靜強度載荷工況下，當量應力(Von mises應力)不得超過材料的許用應力，即σe≤[σ]為滿足實際工程的需要，允許計算值超過許用應力值的5%.公式如下[2]：

(1)

[σ]=σs/ s= 460/1.51=304.63MPa

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

材料在處于彈性階段時，根據胡克定律公式如下[3]：

(2)

式中,Δl為伸長量，mm；A 為橫截面積，mm2；E為彈性模量.

TBT 1335-1996[2]中規定，車體的撓跨比評定標準如下：

(3)

式中,f為撓度，m；L為車輛定距，m.

3 有限元計算分析

有限元方法的基本思想是將結構離散化,用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象,單元之間通過有限個節點相互連接,然后根據變形協調條件和節點的應力平衡條件綜合求解[4].

利用UG軟件建立三維鋼結構模型，完成后的模型如圖1所示.

圖1 冷卻間鋼結構三維模型圖

鋼結構模型導入到ANSYS平臺后，采用靜力分析模塊進行有限元分析計算.由網格工具劃分計算網格，統計共有單元986 147個，節點1 863 572個，網格劃分結果如圖2所示.

圖2 網格劃分

根據GB/T 21563-2008/IEC 61373:1999標準[5]，對鋼結構施加載荷，其中縱向、橫向、垂向的靜強度加速度分別為50、30、30 m/s2，且在風機固定裝置、水箱支架、散熱器位置處的靜強度載荷分別為0.049、1 971.8、0.034 MPa.

冷卻間鋼結構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力為288.55 MPa.該值小于由式(1)計算得到的許用應力304.63 MPa，滿足強度標準.

圖3為鋼結構的位移變化云圖,最大位移發生在鋼結構的斜拉筋處，數值為2.08 mm.該值小于由式(3)計算得到的撓度值18 mm，滿足變形要求.圖4為螺栓處應力值達到最大時的放大云圖.

圖3 鋼結構位移變化云圖

圖4 螺栓處最大應力放大云圖

4 模型優化

根據黃金分割的思想，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，同時避免了豎梁與螺栓應力集中的情況.螺栓位置改變前后對比如圖5所示，應力變化如圖6所示.

(a)優化前

(b)優化后

(a)優化前

(b)優化后

優化后鋼結構最大應力值由原來的288.55 MPa降至266.92 MPa,小于許用應力304.63 MPa，應力值約降低了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，相對于鋼結構的大尺寸可以忽略不計.

5 結論

(1)靜態強度用來保證鋼結構的安全性.通過數值仿真計算，發現最大應力值發生在車底板與鋼結構螺栓結合處，其值小于許用應力，滿足強度要求；

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

[1]張志華，宋永增.動車組鋁合金車體結構強度分析[D].北京：北京交通大學，2007.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1335-1996 鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].北京:中國鐵道出版社,1996.

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[4]江見鯨.有限元法及其應用.[M].北京:機械工業出版社，2006.

[5]中華人民共和國國家標準.GB/T 21563-2008/IEC 61373:1999 軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗[S].北京:中國標準出版社，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，主要從事機車車輛空氣動力學的研究E-mail:randycui@163.com.

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