主車架靜強度仿真及試驗范文
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《機械工程與自動化雜志》2014年第二期
1主車架結構應力分析
工況①、②主要考察主車架在運用狀態下的應力分布，工況③、④、⑤主要考察主車架在修理、起吊狀態下的應力分布。主車架在各工況下的最大應力值及出現位置見表2。主車架最大應力出現在工況②，由此可以看出：主車架整體縱向力主要通過牽引梁、底架及上懸中梁進行傳遞（見圖3），在縱向力從底架向上懸中梁傳遞過程中，車輛前端主要通過立柱進行傳遞，后端則通過異形梁和轉接梁進行傳遞。主車架最大應力位于車輛前牽引梁補強板筋板處（見圖4），此位置由于縱向力的傳遞路線發生變化，故產生了應力集中現象。計算結果表明，主車架在各工況下節點最大應力均小于標準規定值，靜強度滿足標準的要求。
2主車架靜強度試驗工況
2.1垂直載荷試驗在已經貼好應變片的條件下，在車架上均布等同于車架自重的配重，測得的應力即為車架自重載荷下的應力。在已經貼好應變片的條件下，在車架上機構安裝位置鋪設等同于機構重量的配重，測得的應力即為車架機構載荷下的應力。車輛在運行過程中還會受到垂向動載荷的作用，按照標準規定垂向動載荷下的應力由垂直靜載荷下的應力乘以垂向動荷系數Kdy得到。
2.2側向力試驗按照TB／T1335－1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》中的相關規定，在計算或試驗車體側梁、枕梁以及側墻的強度時，可不施加側向力而以加大垂向載荷來考慮側向力的影響。由于標準中并沒有詳細規定大型養路機械的垂向載荷增加數值，根據運用條件的相似性，參照貨車為垂向靜載荷的10％來考慮。
2.3縱向拉伸載荷試驗根據標準規定，采用1125kN的縱向拉伸載荷，該力沿車鉤中心線一端作用于車輛前從板座上，在另一端聯接叉處施加約束。由于主車架為上懸中梁結構，在拉伸及壓縮載荷加載過程中容易出現較大變形，所以試驗加載時需緩慢加載，并檢測車架縱向變形及上懸中梁垂向變形。
2.4縱向壓縮載荷試驗根據標準規定，采用1180kN的縱向壓縮載荷，該力沿車鉤中心線一端作用于車輛后從板座上，在另一端聯接叉處施加約束。
2.5扭轉載荷試驗根據標準規定，心盤支重式結構的車體不考慮斜對稱載荷，但必須在第一工況中考慮40kN／m的扭轉載荷［4］。
2.6修理和起吊試驗修理工況試驗用于模擬修理時施加于車架上的載荷。在貼好應變片的條件下，通過縱向鐵鞋約束車輛縱向移動，利用架車機在一端頂車位架起整備重量下的車架，并在另一端架車位重復測試。起吊試驗用于模擬維修、吊裝運輸及救援時的情況。將轉向架固接在車架上，使用吊車在起吊點將整車吊起，直至轉向架脫離鋼軌。
3.1仿真與試驗數據對比該車架在靜強度試驗中，應變片主要選取車架結構的1／2進行布點，重要部位則布置對稱測點。車架測點約為110個，主要布置在上懸中梁、枕梁、側梁、牽引梁及立柱上。這里主要就縱向壓縮工況的仿真結果與試驗數據進行對比，見表3。由表3可以看出，仿真值與試驗所測得的應力分布趨勢相同，且相對誤差比較小，只有枕梁上相對誤差較大，但相差數值仍然在13MPa以內，其他各測點數據相對誤差在10％以內。
3.2誤差分析通過對以上數據及主車架模型的分析，現將可能造成有限元仿真結果與試驗結果差異的原因總結如下：（1）建模誤差。有限元模型建立時，考慮的幾何模型為理想模型，不存在制造誤差。但在實際制造過程中，加工過程及工藝情況都會對主車架有一定的影響［5］。在建模過程中將車架等效為了殼單元，在理論計算及尺寸處理方面存在一定的誤差。（2）所選節點與應變片位置差異。試驗時貼應變片的位置一般選在距離截面突變處或焊縫5mm～10mm處。但在根據應變片位置查找有限元模型相應節點時，無法做到位置上的完全重合，只能選取位置相近的節點近似位置，從而導致了仿真結果和試驗結果的差異。（3）加載方式及應力合成方式差異。仿真時，各工況組合載荷是同時施加在車架有限元模型上進行計算的，應力值是按照有限元理論進行計算產生的。試驗時，受試驗條件的影響，各工況的載荷是分別施加，測得單向應力，并進行線性疊加得到該工況的應力值。而實際情況下，測得的單向應力并不能完全代表該位置應力情況，且應力值與所施加載荷也不是線性關系，這也造成了一定的誤差。
4結論
在模型建立、加載工況及約束條件合理的情況下，除局部受力復雜點以外，仿真數據及試驗數據的誤差基本能夠保持在10％以內，證明該仿真方法是可行的。考慮到大型養路機械與普通鐵道車輛的區別，主要科研及運用單位應該在綜合其使用條件及特點的基礎上提出適合大型養路機械的結構強度和試驗標準，為今后的設計提供參考，以使結構設計及評價更加合理。
作者：謝耿昌傅茂海聶嶸趙衛吳克明單位：西南交通大學機械工程學院昆明中鐵大型養路機械集團有限公司