載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體強度及疲勞壽命分析

謝亮

摘 要：文章主要介紹了載重100噸鋁合金煤炭漏斗車的主要結構、技術參數，并對漏斗車的車體結構進行了模態分析及疲勞壽命分析，分析結果表明該車體結構疲勞壽命滿足相關標準及規范的要求。

關鍵詞：漏斗車車體；有限元；強度分析；疲勞壽命分析

1 概述

隨著國內鐵路貨車市場的飛速發展，為了提高鐵路煤炭的運輸效率，實現裝卸作業的自動化，研制大軸重自卸煤炭漏斗車，有相當重要的經濟意義。本文將介紹載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體限元結構、疲勞壽命分析計算。

2 車輛主要技術性能參數及基本尺寸

該車在國內軌距為1435mm的標準線路上運行，用于煤炭的運輸，也可用于既有線路的散粒貨物裝運。載重100噸鋁合金煤炭漏斗車主要技術參數。軌距1435mm，自重≤20t載重100t，軸重30t自重系數≤0.2，容積115m3，最高運行速度100km/h，曲線通過半徑145m，緊急制動距離≤1400m。

3 建立車體力學模型

3.1 車體力學模型

車體結構強度分析采用有限元分析軟件ANSYS 11.0[1]，由于該車車體結構對于其橫向和縱向中央截面對稱，利用結構的對稱性準則，按TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》[2]靜態分析時取其1/4結構建立有限元模型，如圖1所示。

3.2 模態分析

取整車車體進行自由模態分析，計算得到的模態結果如表1所列。在1階、2階、3階、4階、5階時，對應的頻率（Hz）分別為：

9.22、15.31、15.83、18.54、18.61，振型分別為：側墻端部橫向變形、側墻端部橫向變形、漏斗隔板彎曲、漏斗隔板彎曲、漏斗隔板彎曲。

4 車體疲勞壽命分析

4.1 疲勞載荷與壽命估算方法

根據鐵科技[2012]154號文下發的《大軸重鐵路貨車總體技術條件（暫行）》，載重100噸級鋁合金煤炭漏斗車車體使用壽命應在500萬公里以上。本文參照AAR標準M-1001，2007“貨車設計制造規范”第7章“貨車的疲勞設計”（以下簡稱《疲勞設計》）中的載重90.7t開口漏斗車的載荷譜及標準“BS EN 1993-1-9：2005 Eurocode 3： 鋼結構設計規范”中有關材料疲勞性能數據，估算車體各部位在垂向、扭轉及縱向疲勞載荷譜作用下的疲勞壽命。考慮所有載荷下車體結構的疲勞損傷情況，對車體結構的疲勞強度進行綜合評價。

4.2 有限元模型

4.2.1 模型簡化及單元劃分

根據對稱性，取1/4或1/2個車體結構進行有限元建模分析（見圖1）。由于薄板理論的實用性，因此采用殼單元取每塊板的中性層建立該漏斗車有限元分析模型，同時忽略所有非承載結構。采用Hypermesh軟件進行網格劃分，嚴格控制網格劃分的質量，以保證獲得精確的變形、高的應力區域以及應力梯度分布。采用梁單元和單向彈簧元模擬轉向架與車體之間的聯接。車體1/4有限元模型統計數據，NODE：106060，SHELL181：97374，BEAM4：803，COMBIN14：1。

4.2.2 約束設置

根據車體受力情況在模型中施加相應的垂向、橫向及縱向位移約束。由于對稱性，在相應的對稱面上施加對稱或反對稱約束，心盤處加垂向彈性約束。模型中坐標軸的方向為：車體縱向為X軸，橫向為Z軸，垂向為Y軸。

4.3 疲勞壽命估算結果

首先進行車體在垂向心盤載荷100t、縱向100t拉伸載荷和縱向100t壓縮載荷、扭轉40kN·m載荷和36t旁承載荷工況下的有限元應力分析，得出這些參考應力后，參照相應的標準建議給出的，如表1所示的疲勞壽命評價部位的典型疲勞性能參數，對車體進行各分力譜下的疲勞損傷估算，最后折算出疲勞壽命（運用公里數），結果見表1。

5 結束語

綜上所述，載重100噸級鋁合金煤炭漏斗車車體各部位的疲勞壽命均大于500萬公里的設計壽命要求，通過車體疲勞壽命計算分析，盡量避免了焊縫質量較差位置的疲勞壽命過低的情況，載重100噸鋁合金煤炭漏斗車車體結構靜強度和剛度及疲勞壽命滿足《規范》和《技術條件》的要求。

參考文獻

[1]AAR Manual of Standards and Recommended Practices， Sec-tion C， ParⅡ-Design，Fabrication，and Construction of Freight Cars， Chapter 4 Design， 2010.

[2]TB/T 1335-1996.鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].

[3]嚴雋耄，傅茂海.車輛工程（第三版）[M].北京：中國鐵道出版社，2009.