某型軌道車車體與車架焊接與螺栓聯接有限元計算對比

李勝男

（太原中車時代軌道工程機械有限公司北京分公司，北京100000）

1 概述

某軌道車的車體鋼結構包括車架、司機室、工作室、動力室等，其中車架與室體借助安裝圈梁靠螺栓聯接，為車架主要承載結構，現借助有限元計算對車體與車架焊接與螺栓聯接兩種方案進行對比，主要采用標準為《BS EN 12663-1：2010 鐵路應用-鐵路車輛車體的結構要求》。

2 結構簡介

某軌道車車架包括牽引梁、枕梁、左側梁、右側梁、動力室機組梁、橫梁、工作室機組梁等，車體包括工作室與動力室，司機室（考慮到司機室的減震降噪要求，司機室不考慮焊接結構），安裝的主要設備（包括車上設備和車下設備）及其重量見表1。

表1 主要設備及其重量

某軌道車車架主要的材料及其材料屬性見表2。

表2 主要材料及其材料屬性

3 車架有限元模型

建立某軌道車車架有限元模型時，凡是對整體剛度及局部強度有貢獻的結構，都予以考慮。為了計算的準確性，模型構成以任意四節點薄殼單元為主，三節點薄殼單元為輔。某軌道車車架有限元模型中單元總數為520429，結點總數為529886，有限元模型鋼結構重量15.484，圖1 給出了該車車架的有限元模型。車上及車下較大設備的質量施加于設備質心處，設備質心與車架通過beam188 單元進行連接，其余重量均布在車架上平面，整車模型見圖2。圖中白色區域為車上大部件模擬。

4 計算載荷

載荷工況及評定標準（見表3）。

5 車架靜強度計算結果

5.1 剛度計算結果

在1.0 倍整備重量工況下，車架的垂向撓度見圖3；在1.3 倍整備重量工況下，車架的垂向撓度見圖4。

圖1 車體有限元模型

圖2 整車有限元模型

表3 車架靜強度計算工況

圖3

圖4

圖3、圖4 分析在1.0 倍整備重量工況下，車架的垂向撓度焊接方案是1.86mm，螺栓方案是1.9mm，兩個方案結果相似。

在1.3 倍整備重量工況下，車架的垂向撓度焊接方案是2.41mm，螺栓聯接方案是2.46mm，同樣兩個方案結果相似。

故兩種方案在剛度方面沒有明顯區別。

圖5 計算工況1

圖6 計算工況2

圖7 計算工況3

5.2 強度計算結果

圖5 分析整備工況下，重量以重力加速度的形式施加，較大設備質量施加于設備質心處，其余重量均布在車架上平面（整車重量44t）。焊接方案最大應力112MPa，螺栓連接方案最大應力99MPa，僅此對比螺栓連接方案更優。

圖6 分析最大工作載荷重量以1.3 倍重力加速度的形式施加，較大設備質量施加于設備質心處，其余重量均布在車架上平面（整車重量44t）。焊接方案最大應力146MPa，螺栓連接方案最大應力128MPa，僅此對比螺栓連接方案更優。

圖7 分析拉伸工況下，縱向1500kN 拉伸力作用于Ⅱ位端車鉤前從板，設備重量以重力加速度的形式施加，較大設備質量施加于設備質心處，其余重量均布在車架上平面（整車重量44t）。焊接方案最大應力263MPa，螺栓連接方案最大應力298MPa，僅此對比焊接方案更優。

圖8 分析壓縮工況下，縱向1500kN 壓縮力作用于Ⅱ位端車鉤后從板，設備重量以重力加速度的形式施加，較大設備質量施加于設備質心處，其余重量均布在車架上平面（整車重量44t）。焊接方案最大應力261MPa，螺栓連接方案最大應力247MPa，僅此對比焊接方案更優。

圖8 計算工況4

表4 各計算工況作用下車架靜強度計算結果匯總 應力單位：MPa

6 結論

6.1 剛度

兩種連接方案下，在整備工況與最大工作載荷工況下最大撓度沒有太大差異。

6.2 強度

在各計算工況作用下，車架靜強度計算結果匯總如表4 所示。

6.3 對比

車體與車架焊接與螺栓聯接兩種方案下，剛度與強度有些許的差異，但是都在安全范圍內。如果為了檢修便利與模塊化設計，螺栓聯接會更優。如果特殊車型要求結構能夠有較強的抵抗縱向力的能力，建議使用焊接結構。