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機車車體的強度有限元分析與試驗研究

發布于:2022-05-30 21:08
有限元分析

      和諧電力機車(簡稱HXD2機車)主要用于中國大秦線牽引2萬t重載組合列車。機車可單機牽引1萬t,雙機遠程重聯牽引2萬t重載列車。目前,該機車已經在大秦線成功運行。由于重載長大列車的縱向沖擊很大,所以機車車體的結構設計難度大,強度要求高。HXD2機車車體的強度有限元分析和型式試驗與國內既有機車的相應工作相比,有許多不同之處,實際上也從一個側而反映了HXD2機車車體設計的特點和優勢。1)車體兩端能承受的縱向載荷是國內所有機車中最大的,即3600 kN的壓力和2500 kN的拉力,車體不會產生永久性變形;2)強度計算結果的評價采用了以分項安全系數的細節可靠性設計方法,即對不同部位采用不同的安全系數進行評價;3)在關鍵部位,利用材料的GOODMAN圖進行疲勞強度評價;4)在靜強度計算和試驗時,對車體底架與司機室連接處、前窗上部、上弦梁位置等處分別按照UIC標準加載進行強度考核;5)基于車體強度的有限元計算,對車上所有安裝設備的連接螺栓進行強度計算。下而介紹HXD2機車車體的強度計算和型式試驗情況。
      HXD2機車綜合采用了UIC.EN.ERRI.TB有關標準及評判準則,進行有限元強度計算和型式試驗。強度計算利用ANSYS軟件在線彈性、小變形范圍內進行結構分析。
      由于車體結構不完全對稱,所以一般采用整車模型,部分工況采用半車對稱模型計算。整車模型單元總數240432個,節點總數238377個,單元尺寸1090 mm殼單元考慮了板的平均厚度,排障器、可拆卸橫梁、連接橫梁等用螺栓連接的部件采用節點耦合方式。
      側墻蒙皮材料采用S275J2G4,275 MPa,車體其它承載結構材料采用S355J2G4,355 MPa。對于所有鋼材型號,彈性模量E=210000 MPa,泊松比0.3。
      對于需要校核疲勞強度的載荷工況,焊接區取安全系數為1.65,母材區取安全系數為1.5,繪制相應的Goodman疲勞極限線圖。對于抬車工況取安全系數為1.1,壓縮工況、拉伸工況、司機室保護工況和極限垂向載荷工況以及牽引桿座拉壓工況,取安全系數為1。根據HXD2型機車的合同規定的工況要求,對車體進行了總共12種靜態載荷工況的計算分析。
      根據載荷工況及力學模型,得到靜載工況的計算結果如下:
      1)壓縮工況。最大應力為324(許用應力為355 MPa),位于工端底架枕梁前端與邊梁連接處。2)拉伸工況。最大應力為229 MPa(許用應力為355MPa),位于工端底架枕梁后端與邊梁連接處。3)司機室保護工況I。最大應力為192 MPa(許用應力為355 MPa),位于司機室前窗框外下角處。4)司機室保護工況II。最大應力為161 MPa(許用應力為355MPa),位于司機室前端與底架連接處。5)司機室保護工況III。最大應力為204 MPa(許用應力為355 MPa),位于司機室前窗框上部中間位置。6)排障工況。最大應力為182 MPa(許用應力為355 MPa),位于兩側斜筋板上。7)極限垂向載荷工況。最大應力為135 MPa(許用應力為355 MPa),位于側墻中部過濾器開孔處立柱與外板連接處。8)抬車工況I。最大應力為294 MPa(許用應力為355/1.1=323 MPa),位于整體起吊孔與底架邊梁的加強筋處。9)抬車工況II。最大應力為271 MPa(許用應力為355/1.1=323 MPa),位于I端內架車墊板上方側墻立柱與底架連接處。10)抬車工況III。最大應力為271 MPa(許用應力為355/1.1=323MPa),位于II端側墻過濾器開口下角處。11)復軌工況I。最大應力為271 MPa(許用應力為355/1.1=323MPa),位于工端救援銷孔上方。12)復軌工況II。最大應力為271 MPa(許用應力為355/1.1=323 MPa),位于II端救援銷孔上方。13)牽引拉桿座拉壓載荷工況。施加在車體的牽引拉桿座上的疲勞載荷為53 kN,對應于一個轉向架的縱向加速度g。最大應力為230 MPa(許用應力為355 MPa),位于低位牽引橫梁處的底架邊梁中加強筋與底架邊梁上板連接處。
      在所有計算工況中,最大應力值發生在壓縮工況,小于材料許用應力值。所有靜態工況計算中,按第四強度理論計算所得的最大應力值均小于規定的相應工況下的材料許用應力值,說明車體的靜強度滿足設計要求。


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