快運棚車靜強度分析與試驗驗證

黃盼盼，胡艷*，于連玉

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快運棚車靜強度分析與試驗驗證

黃盼盼1，胡艷1*，于連玉2

（1. 江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221000；2. 中車山東機車車輛有限公司 CAE分析試驗中心，山東 濟南 250000）

隨著電商物流的迅猛發展，為提高運輸效率，降低物流成本，亟需加快研制快運棚車。設計初期運用有限元方法評估車體的結構靜強度，分析結果表明車體靜強度滿足TB/T1335－1996要求。為進一步驗證車體強度，在樣車試制完成后進行了靜強度試驗，試驗結果表明車體靜強度滿足TB/T1335－1996要求。分析與試驗數據對比表明：分析結果與試驗結果比較吻合，兩者相對誤差在7%以內，驗證了有限元模型的可信度。

棚車；靜強度；仿真分析；TB/T1335－1996

隨著有限元技術的快速發展，鐵路車輛設計階段大都采用有限元方法對車體強度進行評估，滿足相關標準要求后再進行樣機試制[1-5]。為適應電商物流的快速發展，中車山東機車車輛有限責任公司研制了運行時速160 km/h的四門大容積快運棚車。設計初期采用Hypermesh軟件處理車體有限元幾何模型，運用ABAQUS后處理器進行計算。分析結果表明，車體靜強度滿足TB/T1335－1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》[5]的要求。對試制出的樣車進行靜強度試驗，試驗表明車體強度滿足文獻[5]要求，且分析與試驗結果比較吻合，檢驗了有限元模型的可信度。

1車體有限元模型及載荷工況

1.1 車體結構

該車為整體承載式結構，主要由中梁、側梁、大橫梁、小橫梁，縱向梁、端墻、側墻和車頂等部分組成。車體中梁采用材質為Q450NQR1型號為450x200熱軋H型鋼；下側梁采用材質為Q450NQR1的30b型冷彎槽鋼；側墻板和車頂板采用05CuPCrNi，其它主要型鋼板材采用09CuPCrNi-A。車輛主要技術參數如表1所示。

表1 車輛主要技術參數

1.2 有限元模型

采用20 mm的板殼單元S4R建立整車的有限元模型，將車體結構離散為1054338個單元，1026799個節點。根據不同工況，在車體心盤、前從板座、后從板座等處施加相應約束。車體有限元模型如圖1所示。

圖1 車體有限元模型

1.3計算載荷

（1）第一拉伸載荷。根據文獻[5]要求，第一工況縱向拉伸載荷取值為1125 kN，沿車鉤中心線作在前從板座上。

（2）第一壓縮載荷。根據文獻[5]要求，第一工況縱向壓縮載荷取值為1400 kN，沿車鉤中心線作在后從板座上。

（3）第二壓縮載荷。根據文獻[5]要求，第二工況縱向壓縮載荷取值為2250 kN，沿車鉤中心線作在后從板座上。

（4）扭轉載荷。根據文獻[5]要求，施加40 kN·m的扭矩使車體扭轉。

1.4分析工況及結果

根據文獻[5]，確定該車體的計算工況。

（1）工況1：垂向總載＋側向力＋扭轉＋縱向拉伸，1125 kN

（2）工況2：垂向總載＋側向力＋扭轉＋縱向壓縮，1400 kN

（3）工況3：垂向靜載＋縱向壓縮2250 kN

（4）工況4：垂向靜載荷

其中，垂向靜載荷＝4×軸重－2×轉向架重＝60.4 t（全部施加在地板面上）；側向力取為垂向靜載的10%；動荷系數k為0.358。各工況的最大Mises應力及出現的位置如表2所示。由表2可知，車體在各工況下的最大Mises應力均小于相應工況的需用應力。故車體強度滿足文獻[5]要求。在車體靜載荷作用下，車體中梁最大撓度為10.7mm，撓跨比為1/1682（車輛定距為18000mm），小于文獻[5]要求的1/1500，故車體剛度滿足要求。限于篇幅所限，文中僅給出了工況3的應力云圖，如圖2所示。

2仿真結果與試驗數據比較分析

2.1應力比較

該車靜強度試驗中應變片主要集中于底架中梁、側梁處。這里對底架中梁、側梁大應力區域試驗結果與仿真結果做比較。車體承受縱向壓縮載荷2250 kN時，試驗與仿真分析對比結果如表3所示。

2.2數據對比分析

由表3可知，在2250 kN縱向壓縮載荷作用下，相同位置處通過仿真計算得到的應力結果與通過試驗方法得到的應力結果基本一致。仿真分析結果與試驗結果的絕對誤差在15MPa以內，相對誤差在7%以內。由此可以證明車體有限元模型的正確性。

分析與試驗結果存在差異是由多方面因素導致的。從分析用模型與樣車的差異看，樣車存在制造公差而分析用模型不存在公差，導致分析用模型與實際制造出的樣車存在差異；從試驗方面看，本文中的樣車在試制完成后隨即進行靜強度試驗，由于焊接、拼裝等因素引起的殘余應力并沒有得到有效的釋放，也導致分析與試驗結果之間存在差異。

表2 靜強度工況應力分析結果

圖2 工況3車體應力云圖

3結論

本文通過有限元方法評估了車體的靜強度，并通過試驗方法驗證了有限元模型的正確性，得出以下結論：

（1）車體分析計算結果表明，車體強度滿足文獻[6]的要求。

（2）分析與試驗數據對比表明，有限元分析結果與試驗結果的相對誤差在7%以內，驗證了有限元模型的可信度。

表3 壓縮載荷2250 kN時應力對比結果

[1]周張義，卜繼玲，李芾. 機車車輛焊接結構疲勞分析關鍵問題研究[J]. 機車電傳動，2008（1）：28-31.

[2]田葆栓，魏鴻亮，劉鳳偉. 我國鐵路貨車車體技術的回顧和展望[J]. 鐵道車輛，2013，51（12）：25-35.

[3]田葆栓. 出口澳大利亞C37型漏斗車車體結構有限元及疲勞計算分析[J]. 鐵道機車車輛，2010，30（2）：8-11.

[4]羊玢，孫慶鴻，黃文杰，等. 地鐵B型車車體靜強度及模態計算[J]. 交通運輸工程學報，2006，6（2）：1-5.

[5]李培，孫麗萍. 地鐵不銹鋼車體強度分析及試驗驗證[J]. 內燃機車，2011，4（4）：17-19.

[6]TB/T1335－1996，鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].

Static Strength Analysis and Test Verification of High Speed Boxcar

HUANG Panpan1，HU Yan1*，YU Lianyu2

( 1.School of Mechatronic Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221000, China;2.CAE Analysis & Test Center, CRRC Shandong Co.,Ltd., Ji′nan 250000,China )

With the rapid development of e-commerce logistics，it is important to develop high speed boxcar to improve transportation efficiency, and reduce logistics cost. The finite element method is used to evaluate the static strength of the boxcar. Analysis results show that the static strength of the vehicle body meet the standard of TB/T1335-1996.The static strength test is carried out after the prototype is manufactured. Test results show that the static strength of the vehicle body meet the standard of TB/T1335-1996, too. The comparison between the test results and the analysis results show that both are nearly consistent with each other, and the relative error between the analysis results and the test results is under 7%, which verified the reliability of the finite element model.

boxcar；static strength；simulation analysis；TB/T1335-1996

U272.1

A

1006－0316 (2018) 04－0060－03

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.014

2017－12－02

江蘇師范大學自然科學研究基金（16XLR017）

黃盼盼（1989－），男，山東濟寧人，碩士，實驗師，主要研究方向為有限元仿真分析、摩擦自激振動；于連玉（1976－），男，河北井陘人，碩士，高級工程師，主要從事鐵路車輛設計及分析實驗工作。

胡艷（1986－），女，四川遂寧人，博士，講師，主要研究方向為載流摩擦磨損、有限元仿真分析。