滿足UIC566標(biāo)準(zhǔn)的車體結(jié)構(gòu)車端設(shè)計優(yōu)化

王世博 鄭曉倩

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇省南京市 210031

1 簡介

喀麥隆客車項目車體強(qiáng)度執(zhí)行UIC566標(biāo)準(zhǔn)，在車體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗時，主要是端部壓縮工況下出現(xiàn)了部分應(yīng)力超限的區(qū)域，只能在原鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，同時受時間、條件、技術(shù)儲備不足的限制，一些結(jié)構(gòu)并不是最合理的。因此，本文以喀麥隆行李車為基礎(chǔ)，利用仿真計算手段，對其端部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化。該車型車端結(jié)構(gòu)類似于25型車的車端結(jié)構(gòu)，如圖1.1，以此結(jié)構(gòu)為研究對象，具有普遍意義。

UIC566標(biāo)準(zhǔn)中，端部壓縮三個工況：（1）工況1：400kN 最小在緩沖器中心線上方的 350mm水平上；（2）工況2：300kN 最小在窗護(hù)欄水平上；（3）工況3：300kN 最小在上側(cè)梁水平上，試驗加力如圖1.2。

通過計算和試驗結(jié)果分析：原結(jié)構(gòu)在工況1和工況2基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而工況3不能滿足要求，故對工況3下的車端上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1.1 端部結(jié)構(gòu)

圖2.1 工況3下的應(yīng)力分布云圖

圖2.2 立柱應(yīng)力云圖

2 現(xiàn)狀分析

通過端部工況計算，在風(fēng)擋框后的立柱中部、邊梁與端頂槽鋼連接處、風(fēng)擋框上部的端墻板處應(yīng)力均超出材料許用應(yīng)力數(shù)倍，應(yīng)力分布如圖2.1。在實際試驗中，應(yīng)力片貼在風(fēng)擋框后面立柱與槽鋼焊接的根部，所測應(yīng)力值超出了許用應(yīng)力范圍，說明現(xiàn)有的端部結(jié)構(gòu)不能滿足UIC標(biāo)準(zhǔn)的要求，須重新設(shè)計端部結(jié)構(gòu)。

因應(yīng)力超限，現(xiàn)車在端頂槽鋼加8mm封板，應(yīng)力如圖2.2，立柱下口應(yīng)力得到改善，但立柱中部應(yīng)力仍遠(yuǎn)超許用應(yīng)力。增加封板有利于提高端頂槽鋼剛度，但對端頂槽鋼以上部位的剛度影響不大。因此，仍需對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善。

圖3.1 結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方案圖

圖3.2 立柱應(yīng)力云圖

圖3.3 邊梁應(yīng)力云圖

圖3.4 立柱與縱梁連接處應(yīng)力云圖

圖3.5 風(fēng)擋框上部應(yīng)力云圖

圖3.6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3.7 外部結(jié)構(gòu)

圖3.8 端頂應(yīng)力分布云圖

圖3.9 邊梁應(yīng)力分布云圖

圖3.10 風(fēng)擋框應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真計算

原結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)擋框止于端頂中部，而端頂中部結(jié)構(gòu)薄弱，故產(chǎn)生較大變形，風(fēng)擋框端部產(chǎn)生應(yīng)力集中。壓縮力主要通過邊梁向后傳遞，導(dǎo)致邊梁變形也較大。

本文通過二種途徑來降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力：一是采用結(jié)構(gòu)局部補(bǔ)強(qiáng)，改變部分梁柱斷面；二是結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改善力的傳遞途徑。

3.1 結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)

根據(jù)以上分析，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，產(chǎn)生大變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大。經(jīng)多次計算，確定結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方案，如圖3.1a）、b）、c）所示。

（1）端頂后立柱、橫梁改用斷面尺寸為6x70x80帽型梁；（2）風(fēng)擋框后立柱下口槽鋼焊8mm封板，增加局部剛度；（3）對應(yīng)風(fēng)擋框后立柱的車頂縱向梁改用乙型梁，增大梁的斷面模數(shù)；（4）車頂邊梁與端頂槽鋼連接處用連接鐵補(bǔ)強(qiáng)，增加連接剛度；（5）側(cè)墻上邊梁下口加3mm封板，減小邊梁橫向變形；（6）門框與端頂槽鋼用乙型梁連接，減小槽鋼向后位移量；（7）端頂中部墻板后增加8mm補(bǔ)強(qiáng)板，增加承載能力；（8）風(fēng)擋框后部提高50mm，增加受力面積；（9）風(fēng)擋框上部增加封板，減小變形。

通過計算，補(bǔ)強(qiáng)后關(guān)鍵位置處的應(yīng)力分布云圖如圖3.2、3.3、3.4和3.5，立柱應(yīng)力最大值310.5MPa，側(cè)墻上邊梁應(yīng)力最大值251MPa，基本滿足強(qiáng)度要求。相對原結(jié)構(gòu)，應(yīng)力值有大幅降低，但局部仍超出材料屈服強(qiáng)度，如風(fēng)擋框上部最大應(yīng)力385.2MPa，車頂縱梁與立柱連接處最大應(yīng)力356MPa，結(jié)構(gòu)仍需補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)方案的結(jié)構(gòu)改動較大，設(shè)計復(fù)雜，結(jié)果并不理想。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要途徑為增加向后的傳力路徑、增加風(fēng)擋框受力面積。通過計算發(fā)現(xiàn)，風(fēng)擋框上部結(jié)構(gòu)對端頂上部應(yīng)力分布起主要作用，風(fēng)擋框外側(cè)增加補(bǔ)板有效分散力的傳遞，但端頂彎梁應(yīng)力超過許用應(yīng)力，故風(fēng)擋框后增加縱梁提高強(qiáng)度。改進(jìn)方案如圖3.6和3.7，（1）端頂立柱移至風(fēng)擋框正后；（2）風(fēng)擋框后縱梁由3mm改為6mm；（3）風(fēng)擋框后增加一根縱梁；（4）風(fēng)擋框上部加6mm封板；（5）風(fēng)擋框外側(cè)加6mm補(bǔ)板。

經(jīng)計算，端頂最大應(yīng)力為306.5MPa，位于端頂板，應(yīng)力分布如圖3.8；邊梁最大應(yīng)力206.3MPa，立柱下口最大應(yīng)力181MPa，均滿足強(qiáng)度要求，應(yīng)力分布如圖3.9。風(fēng)擋框應(yīng)力最大值574.5MPa，位于風(fēng)擋框端部，為一應(yīng)力集中點，可忽略，其主體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，應(yīng)力分布如圖3.10。

4 結(jié)論

（1）本文以喀麥隆客車為依托，對車端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與分析，優(yōu)化后兩種方案都能滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）在方案1（結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)）中，整個風(fēng)擋框上部應(yīng)力超限，難以改善；方案2（結(jié)構(gòu)改進(jìn)）中存在應(yīng)力集中點。方案1設(shè)計復(fù)雜，需要補(bǔ)強(qiáng)的部位較多，結(jié)構(gòu)笨重。方案2只需在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上稍改動，即可滿足要求，工藝性好，故方案2為較優(yōu)方案。

（3）本文按照UIC566標(biāo)準(zhǔn)對車端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為今后類似項目的執(zhí)行奠定基礎(chǔ)，做好技術(shù)儲備。