某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验
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摘 要
根据项目组要求，保证整机功能满足要求，在设计空间受限的情况下，在有限的空间内对某铁路车辆车架进行结构设计，运用CAE手段对车架结构进行数值模拟计算，分析计算结果与静强度试验结果进行对比。结果表明：车架的静强度和刚度均满足设计要求，对于同一测试点其仿真分析的应力值与试验得到的应力值误差基本在10%以内，刚度变形值基本没有误差，结果一致性较好，该设计方法为今后的车架及大型钢结构设计提供了有效依据。
关键词
车架;结构设计;刚度;强度;CAE;APDL
中图分类号： U469.53 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.033
0 引言
铁路运输是我国的主要运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用[1]。随着科学技术的日新月异，越来越多的人工勞动被机械智能所取代，既减少了劳动力又大大地提高了生产效率。
对于整机来说，车架是整机结构中重要的承载部件，整机其他零部件主要通过焊接、螺栓连接、铆接等方式固定在车架上。车架的构架是由大量的型材和钢板焊接而成[2]，其结构的强度、刚度是否满足要求直接决定了静强度试验的一次性通过率，节约时间和资金成本。车架作为重要的承载传力部件，其设计时受工作装置、芯盘距及轴重的限制，局部几何形状比较复杂，设计难度较大。有必要利用先进的计算手段对车架结构进行有限元分析校核。
本文按照总体对整机的基本布局进行车架的方案结构设计，利用APDL参数化建模的有限元方法计进行建模，经过反复的结构优化设计，最终得出满足TB/T1335-1996《铁路车辆强度设计及试验鉴定规范》以及GB/T25337-2010《铁路大型养路机械通用技术条件》标准要求的构架。
1 车架方案结构设计
车架长度为28240mm，宽度为3040mm，属于超长构架，主要由车架前部，车架中部，左、右主焊接H型梁，前、后心盘座，横梁、连接梁及一些辅助元件组成，矩形管厚度有8mm、10mm、12.5mm和16mm四种类型。整车刚度由两侧主焊接H型梁承担，根据整机布局的需求，在相应的位置设计不同的承载结构，车架的结构如图1所示。
车架心盘距为23000mm，构架主结构材料均为Q420D，个别材料为Q355D，材料参数如表1所示。
2 车架结构有限元分析及优化
2.1 车架有限元模型
利用APDL参数化建模的有限元方法计进行建模。对车架结构采用带节点偏置功能的SHELL181单元进行离散，控制网格大小为30mm，得到的有限元模型[2]。
有限元模型节点总数为185 166，单元总数为186 655，单元质量均值指标为0.99，网格质量优良[3]。单元多为平面四边形单元，在进行壳单元偏置后形成八节点六面体单元，根据弹性力学的物理方程，单元应力计算如公式（1）所示[11]。
2.2 计算工况及加载
根据《TBT 1335-1996 铁道车辆强度设计及鉴定规范》[12]，最主要的测试试验为垂向刚度试验，和纵向拉伸、压缩试验。因此本次计算针对以下几种工况进行计算，具体如表2所示。
其中，车架的垂向刚度计算要满足标准[12]中的公式：
式中：f为最大挠度，也即是车架的最大垂向变型;L为车辆的心盘定距。某铁路车辆心盘定距为23000mm，因此其垂向最大变形不能大于25.5mm。车架结构为焊接的钢结构，用第四强度理论[13]（Von Mises准则）建立强度条件为：
计算得到的当量应力不应超过σe，车架材料的许用应力为262MPa，因此，计算应力的最大值不能大于262MPa。
车架上部各个设备质量用mass质量单元来模拟。
垂向空载时，载荷即为车架的自重。垂向静载时，载荷为车架的整备质量，即车架的自重与车架上所有设备重量之和。纵向拉伸时，载荷由拉伸载荷和垂向动载荷共同构成，纵向压缩时与此相似，载荷由压缩载荷和垂向动载荷共同构成。垂向动载荷等于垂向静载荷与垂向动载荷系数的乘积，根据标准[12]，垂向动载荷系数的计算公式为：
式中：Kdv是垂向动载荷系数;fj为车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度，取65mm;v是车辆的运行速度，取120km/h;b为系数，取值为0.05;d为系数，取值为1.65;a为系数，簧上部分取值为1.50;c为系数，簧上部分取值为0.427。
可以计算出垂向动载荷系数为0.203。根据标准[12]，纵向拉伸的力为980KN，纵向的压力为1180KN，考虑到列车运行的实际情况[4]，需要在垂向静载荷的基础上再加10%以代替车体受到的侧向力。
以车架的长度方向为X向，宽度方向为Y向，高度方向为Z向。因为SHELL181壳单元是有2个旋转自由度的，所以可以在芯盘处的中心节点直接约束UY，UZ，ROTX，为了避免刚体位移，在其中一个芯盘处的中心节点约束UX，两个芯盘处都释放ROTY，在心盘区域范围内，车架上对应的位置实际上是不受力或受力极小的，因此可以将此区域处理为刚性区域，以避免该位置的应力集中问题[6]。
3 车架静强度试验
某铁路车辆静强度实验由铁道科学院主持，在中国铁建高新装备股份有限公司完成，根据车架的实际工况与受力情况分别进行加载实验[7]。
4 试验结果与计算结果对比分析
4.1 刚度情况
在垂向空载和垂向静载时需要计算出车架最大挠度值，表3列出了有限元计算结果和试验得到的两种工况下的最大挠度值。 从表3可以看出，垂向空载和垂向静载时车架的仿真和试验最大挠度值都低于25.5mm，且与试验结果吻合度较高，车架的刚度是符合设计要求的。如图6所示，为垂向静载下有限元计算的车架垂向变形分布，从图上可以看出车架的最大垂向变形在中部，最大变形值-18.89mm，负号表示变形方向向下，因为动力车的主要工作部件都在中间部位，载荷较大，这也是与实际相符的。
4.2 强度情况
纵向拉伸和纵向压缩时车架主结构的强度应力值应小于262MPa，如表4所示，列出了测试点有限元仿真结果和试验结果的应力值。
由表4可得，在拉伸工况下，车架同一点的最大计算应力为168.2MPa，最大试验应力为162.5MPa，兩者误差为3.1%，应力值均小于许用应力216MPa，结果表明，在拉伸组合工况下车架强度是符合设计要求的。如图7所示为拉伸工况下的应力分布图，从图上可以看出车架的应力主要分布。
纵向压缩时，车架的受力情况是在考虑垂向动载前提下两端加载1180KN，如表5所示是压缩工况下测试点有限元仿真结果和试验结果的应力值。
从表5中的对比结果中可见，压缩工况的计算结果表明强度同样满足设计要求，测试点最大计算应力为206.6MPa，最大试验应力为198.8MPa，应力值在许用应力范围之内。表中应力偏差较大的地方在开孔尖角处，模型做了简化，存在应力集中的情况。如图8是压缩工况的应力分布图，构架比较复杂[5]，某些局部受力情况较为复杂，计算应力与实际应力相对差值较大。车架中间部位应力值都在合理的范围之内，且应力分布较为均匀。
5 结论
本文从最初的结构方案设计，利用APDL参数化语言建模，便于及时修正，效率较高，经过反复优化计算，最终得出某铁路车辆车架结构，通过有限元计算，从计算结果看出，车架的强度和刚度都满足设计要求。与静强度试验对比表明，计算结果与试验结果比较接近，特别是大应力点一致性较好，误差较小，说明建模方法合理，约束符合实际工况，计算比较准确。同时该结构设计方法为今后的新产品构架设计提供了有效依据。
参考文献
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[12]TB/T1335-1996.铁道车辆强度设计及鉴定规范[S].
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