出口澳大利亚柴油罐车强度分析及结构优化

摘要 以出口澳大利亚柴油罐车车体为研究对象，依据AAR标准进行了强度有限元计算，并根据计算结果优化了结构。为以后出口大轴重罐车的设计计算提供了参考。

关键词 出口 AAR 有限元 优化

中图分类号：U262.11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

出口澳大利亚柴油罐车是为力拓公司开发研制的大轴重罐车。该罐车与国内主流铁路罐车相比，具有轴重大、载重大的特点，因而进行强度计算，确保车体钢结构具有足够的强度，成为整个罐车车体设计的重要组成部分。本文依据AAR标准对罐车车体进行强度有限元分析，根据计算结果对结构进行优化，最后通过静强度计算验证其有效性，为以后的大轴重罐车的结构设计计算提供重要参考。

1. 车体结构简介及主要技术参数

车体结构如图1。该柴油罐车采用无中梁结构，主要由罐体装配、牵枕装配、制动装置、车钩缓冲装置、转向架、安全附件、装卸装置等部件组成。

该罐车的主要技术参数如表1

表1 主要技术参数

技术参数

数值

自重

35.5t

载重

94.5t

轴重

32.5t

转向架重量

5.75t/台

罐体长度

16133mm

罐体内径

3100mm

车钩中心线高

904mm

安全阀整定压力

517KPa

2. 车体结构有限元模型的建立

2.1 有限元模型

根据车体几何、载荷、约束的对称性，分别选取纵向1/2模型和横向1/2模型进行分析。离散后的有限元模型的单元及节点数如表2。

表2 有限元模型的单元及节点数

1/2模型

单元数

节点数

纵向对称

67369

197585

横向对称

65428

195826

2.2 边界条件

在对称面上施加对称约束。心盘、旁承等承载位置根据工况要求施加相应约束。

2.3 计算工况

依据AAR M-1001-2007、AAR M-1002-2007的要求，在分析时，采用以下11种组合工况（表4）。

表4 计算工况及许用应力

工况

描 述

1

钩舌内侧面施加222.5KN的向上车钩载荷，车体上的应力σ≤[σ]=σs

2

钩舌内侧面施加222.5KN的向下车钩载荷，车体上的应力σ≤[σ]=σs

3

每个顶车垫板上承担40% 总重，车体上的应力σ≤[σ]=σs

4

车辆装载达到设计总重，在顶车位施加载荷将车辆的一端顶起，直至脱离轨道，车体上应力σ≤[σ]=σs

5

在车辆一端紧靠冲击座面处钩身上施加垂向载荷，该载荷大小为能够使满载罐车的一端抬离轨道的载荷的125%，车体上应力σ≤[σ]=σs

6

在1557KN拉伸载荷、垂向载荷组合最不利情况下的应力值σ≤[σ]=σs/1.8

7

在4450KN压缩载荷、垂向载荷组合最不利情况下的应力值σ≤[σ]=σs

8

拉伸载荷、垂向载荷和安全阀整定压力的作用下，罐体底部中心区域的应力值σ≤[σ]=σb/3.7

9

重车条件下，侧管支柱与枕梁上盖板的连接部位和枕梁上盖板顶部的罐体上的应力σ≤[σ]=σb/6

10

浮沉载荷作用下，枕梁上应力σ≤[σ]=σs

11

侧滚载荷作用下，枕梁上应力σ≤[σ]=σs

3. 原结构方案的计算结果

采用ANSYS软件对以上11种工况进行有限元静强度分析，得到了各工况下车体关键部位的最大应力值。从计算结果来看，原结构的车体强度不能满足AAR标准的强度要求。

高应力区主要集中在罐体底部连接板尾部（360MPa）、侧管支柱与枕梁上盖板的焊缝附近（594MPa），均高于其许用应力（345MPa）；牵引梁、枕梁的材质为均为450NQR1，屈服极限450MPa，高应力区主要集中在牵引梁过渡弧（393MPa，小于许用应力450MPa）、卸荷孔附近（548MPa，大于许用应力）。

4. 结构优化

下面分别以侧管支柱与枕梁上盖板的焊缝处为例介绍结构优化的过程。

通过对所有工况的有限元强度计算发现，在工况3、4、7，9均在侧管支柱与枕梁上盖板的焊缝（以下简称侧管部位）出现高应力。需要进行结构优化。优化措施有以下几个方面：

1） 减小垂向载荷引起的应力过大。从卧式容器的设计经验上来看，主要措施有增大包角、加加强圈、增加枕梁上盖板和罐体厚度等。但是从该罐车罐径较大且罐体宽度已接近限近限界，增大包角的空间很小；加加强圈会增加工艺难度；增加罐体厚度不经济；从表5可见，增大枕梁上盖板厚度可能有效降低侧管部位的应力，且易于实现。

表5 不同枕梁上盖板厚度时的应力值

枕梁上盖板厚度

侧管部位的应力值

12

594

13

535

14

467

2） 增大承载面积。不同的侧管支柱直径时侧管部位的应力如表6，随着侧管支柱直径的增大，侧管部位的受力进一步分散，当直径为180mm时可以满足AAR标准的要求。

表6 不同侧管支柱直径时的应力值

直径（mm）

140

159

168

180

194

203

应力值（MPa）

467

381

372

339

316

302

根据以上分析，枕梁上盖板厚度取为14mm，侧管支柱直径取为180mm。

5. 车体优化结构方案的验证

对原方案多次修改，反复计算，最终确定了优化方案。通过对所有工况进行强度有限元计算，优化方案满足AAR标准的强度要求，验证了优化方案的有效性。

6. 结束语

本文借助有限元方法，通过AAR 标准对出口澳大利亚罐车车体进行了线性静强度分析，进行了结构优化。计算结果表明，优化后车体的静强度能够满足AAR标准的要求，优化方案合理有效。

参考文献

[1]王勖成. 有限单元法[M]. 北京：清华大学出版社， 2003.

[2]美国铁道协会AAR标准， M1001 货车设计制造规范[S]. 2007.

[3]美国铁道协会AAR标准， M1002 罐车规范[S]. 2007.

[4]林至睿，李芾。基于AAR标准的出口铁矿石敞车车体强度分析[J]， 铁道车辆，2012年10期