特种集装箱铁路运输平车有限元优化分析

【摘 要】本文论述了对特种集装箱铁路运输平车进行有限元优化分析。依据TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的有关规定及招标技术规范的有关要求，优化结构，校核强度，确保产品的可靠性。

【关键词】特种；运输平车；优化分析

一、结构简介

（1）主要性能。装运I级保温箱为32.4℃、装运II-III级保温箱为27.2℃、自重(其中转向架自重2×4.8t)为25、构造速度为120km/h、通过最小曲线半径为145m、制动距离（重车、紧急）≤1400m。符合GB146.1～1983《标准轨距铁路机车车辆限界》的要求。（2）主要尺寸。底架长度为16422mm、车辆定距为12622mm、底架宽度为3100mm、车钩中心线高880mm。弹体保温箱承载面空车高1156mm。（3）主要结构。该车由底架、集装箱锁闭装置、车钩缓冲装置、转向架等部分组成。底架为全钢焊接结构，由端梁、中梁、侧梁、枕梁、大横梁、小横梁和辅助梁等组焊而成。中梁为两根H630x200x13x20型钢制成鱼腹型加10mm厚上、下盖板组焊成箱型结构，侧梁为单根H300X200X8X12型钢，底架设有大横梁以及工字形小横梁。中梁、侧梁间设有横向辅助梁，底架上铺设6mm后铁地板。采用直径为358mm的锻造上心盘及材质为C级铸钢的前、后从板座，前后从板座与中梁间采用符合运装货车[2007]163号文件要求的专用拉铆钉连接。底架枕梁处设有4组固定手动旋锁锁，大横梁处设有4组翻转手动旋锁。

二、结构分析程序

本次分析所用有限元分析程序是I-DEAS Master Series 软件系统。硬件为NT工作站。

三、计算模型及计算载荷工况

载荷及结构存在对称性，计算时分别取整车二分之一和四分之一为计算对象，在对称面上分别施加相应的位移约束。计算中将钢结构离散为薄壳元（Thin-shell），共划分节点65355个，单元65774个。计算载荷工况按照TB/T1335～1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》（以下简称《规范》）进行选取和施加的。计算结果评定按照《规范》进行；其中纵向力按如下方式选取，第一工况拉伸1125kN，压缩1400kN；第二工况压缩2250kN对车体强度进行校核。

1．载荷情况。（1）车体自重约15.4t，以均布方式作用在结构体内（转向架自重4.8tx2=9.6t）。（2）动荷系数Kdy计算（满载情况下的动荷系数）：式中fj为转向架垂直静挠度、车辆构造速度v=120km/h、a=1.5、b=0.05、c=0.427、d=1.65。（3）侧向力=0.1×垂向静载荷。（4）扭转载荷：40kN・m，作用于底架旁承处。（5）纵向拉伸载荷1125kN，作用于底架前从板座处。（6）纵向压缩载荷1400kN，作用于底架后从板座处。（7）纵向压缩载荷2250kN，作用于底架后从板座处。

2．计算工况。根据《规范》的要求，按最不利工况进行合成。（1）第一工况。（2）拉伸组合，纵向拉伸力（1125kN）+垂向总载荷+侧向力+扭转载荷（40kN・m ）。该合成应力应不大于第一工况的许用应力。（3）压缩组合，纵向压缩力（1400kN）+垂向总载荷+侧向力+扭转载荷（40kN・m ）。该合成应力应不大于第一工况的许用应力。（4）第二工况，纵向压缩力（2250kN）+垂向静载荷，该合成应力应不大于第二工况的许用应力。

四、评定标准

（1）刚度。底架组成的挠跨比f/L≤1/700。（2）强度。根据《规范》要求，耐候钢材料（09CuPCrNi-A）屈服强度σs=345MPa，经换算第一工况下的许用应力为215MPa，第二工况下的许用应力为292MPa。

五、计算结果及分析

（1）刚度。在垂向静载荷作用下，该车中梁最大挠度为17.6mm，挠跨比为0.98/700。(2)强度。第一工况a最大应力发生在中梁变断面下弯角处，应力值为174MPa。第一工况b最大应力发生在中梁变断面下弯角处，应力值为173MPa。第一工况c最大应力发生在小横梁加载面处，应力值为132MPa。第一工况d最大应力发生在小横梁加载面处，应力值为128MPa。第二工况a最大应力发生在后从板座根部，应力值为204MPa。第二工况b最大应力发生在后从板座根部，应力值为203MPa。

按照TB/T1335-1996中有关规定，按最不利工况合成计算了六种组合形式，第一工况的最大合成应力小于许用应力215MPa，第二工况的最大合成应力小于许用应力292MPa。该车在垂向静载荷作用下中梁最大挠度为17.6mm，挠跨比为0.98/700，不超过《规范》要求的挠跨比f/L≤1/700。通过有限元结构强度和刚度分析计算表明，该结构的强度和刚度满足要求。

参考文献

[1]有限单元法．清华大学出版社，北京．2001

[2]I-DEAS基本原理．北京工业大学出版社，北京．2001