摘    要：采用Nx Nastran軟件對公鐵兩用半掛車車架的初始方案進行有限元計算，并對超過許用應力的區(qū)域(結構)進行了原因分析，提出相應的優(yōu)化改進措施，最終優(yōu)化后的方案強度滿足相關標準要求，文章最后對公鐵兩用半掛車車架設計提出相應建議，為同類型的車架設計提供了參考。

關鍵詞：公鐵兩用半掛車車架;有限元分析;強度;優(yōu)化;

公鐵兩用貨車是公路掛車加裝鐵路專用鉸接式走行單元，通過取消鐵路平車車體，將半掛車直接與轉向架相連，即可在鐵路上運行；脫離連掛即成普通半掛汽車，可在公路上運行的多式聯(lián)運模式。公鐵兩用車因其具有自重系數(shù)低，轉運快捷、投資小、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢，作為半掛車多式聯(lián)運的一大分支，發(fā)展出多種形式，是理想的“門到門”多式聯(lián)運的工具，前景廣闊，開創(chuàng)了“門到門”多式聯(lián)運新紀元。中車眉山車輛有限公司研發(fā)了一種載重28 t的公鐵兩用半掛車，在半掛車車架設計過程中，基于Nx Nastran有限元仿真軟件對車架鋼結構進行了靜強度預測評估與結構優(yōu)化。

1 主要結構及計算工況

1.1 主要結構

公鐵兩用半掛車車架為全鋼焊接結構，主要板材采用T700高強度鋼。車架主要由前端梁、牽引縱梁、邊梁、大梁組成、橫梁、前端連接裝置、后端梁等組成，如圖1所示。

圖1 半掛車車架組成(初始方案)示意圖

1.2 計算工況

公鐵兩用半掛車公路運輸時，汽車行駛的典型工況是在高速道路、強扭轉道路、一般道路和彎曲道路上的彎曲、扭轉、緊急制動和急轉彎等4種工況。對于車架有限元靜態(tài)分析來說，通常情況下靜強度只分析彎曲、扭轉2種工況[1]。另外，車架應具有足夠的抗彎剛度，通過車架的撓跨比考核。

剛度工況：在靜載和勻速行駛狀態(tài)下，零部件均依照安裝位置進行加載，在此情況下考核車架彎曲變形。

彎曲工況：在靜載和勻速行駛狀態(tài)下，零部件均依照安裝位置進行加載，并根據(jù)具體結構選擇以集中載荷或均布載荷方式加載。

扭轉工況 :在滿載、崎嶇道路上低速行駛狀態(tài)下，由于道路凹凸不平，可能會出現(xiàn)在瞬間個別車輪懸空現(xiàn)象，這種工況是造成整個車架扭曲最不利的工況，其中又以左(右)前輪懸空為最苛刻工況，通常模擬左前輪懸空造成車架扭曲的工況。

公鐵兩用半掛車鐵路運輸時，承受鐵路貨運列車縱向力和貨物垂向力作用，剛度參照 BS EN12663-2:2010《鐵路應用—鐵路車輛車體的結構強度要求》(以下簡稱“EN12663”)評估，強度按照TB/T 3550.2-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范 車體 第2部分：貨車車體》(以下簡稱“TB/T 3550.2”)的要求進行考核。

鐵路拉伸工況：模擬列車運行時變速工況，作用載荷：垂向總載荷、側向力和縱向拉伸力。

鐵路壓縮工況：模擬列車運行時制動工況，作用載荷：垂向總載荷、側向力和縱向壓縮力。

因公鐵兩用車編組時沒有調車作業(yè)，不考慮TB/T 3550.2規(guī)定的第二工況。公鐵兩用半掛車車架計算各工況見表1。車架制造材料的力學性能及許用應力標準，如表2所示。

表1 公鐵兩用半掛車車架計算工況匯總 

2 計算情況及建議

2.1 初始方案有限元計算情況

初始設計方案的有限元分析結果表明，車體剛度、強度滿足公路運行工況的設計要求，在鐵路運行工況下有多處應力值超過其材料的許用應力的區(qū)域。主要集中在前端連接裝置附近的橫向補板，側支撐板，箱板如圖2中的黑色區(qū)域；后端梁的下蓋板、腹板以及隔板部位，如圖3中的黑色區(qū)域。

表2 材料力學性能及各工況下考核標準

圖2 前端梁大應力(黑色)區(qū)域示意圖

圖3 后端梁大應力(黑色)區(qū)域示意圖 

2.2 原因分析

初始設計方案的有限元分析結果表明，鐵路工況下，公鐵兩用半掛車車架中間部位強度滿足使用要求，大應力區(qū)域主要集中在前、后端梁部位。造成局部應力值過大的主要原因有：

(1)由于結構功能要求，前、后端梁的橫截面尺寸大于前、后連接裝置(鑄造件)的截面尺寸，造成前、后端梁在前、后連接裝置處的剛度較大，其余部分剛度較小。

(2)前、后端連接裝置存在高度差，鐵路運輸時，車架有0.6°傾角，在縱向載荷作用下將產(chǎn)生附加彎矩。

(3)傳遞縱向載荷的工字型大梁組成偏離受力區(qū)域，導致變形不協(xié)調，縱向力傳遞不暢，局部區(qū)域應力過大。

(4)承受縱向載荷的末端，前、后端梁位置處橫截面銳減。

(5)部分零件間直角對接，增加應力集中程度。

未完待續(xù)

文章來源：汽車車輛工藝