电力机车车体钢结构静强度仿真分析

吴　敏，陈　然，张　灵

(1.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州　450052；2.河南财政税务高等专科学校，河南 郑州　451464)



电力机车车体钢结构静强度仿真分析

吴敏1，陈然1，张灵2

(1.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州450052；2.河南财政税务高等专科学校，河南 郑州451464)

摘要：应用有限元软件ANSYS建立某电力机车车体钢结构的有限元模型，依据相关标准确定载荷工况，计算车体的静强度和振动模态。研究结果表明，该机车车体的静强度和刚度满足要求。

关键词：电力机车；有限元；强度；模态

机车车体结构的强度和刚度是关系到机车运行安全的重要指标之一，必须满足相关标准的要求。本文利用有限元分析软件ANSYS建立某电力机车车体钢结构的有限元模型，并依据相关标准的规定对车体强度进行计算分析，校核车体的静强度。

1机车车体的有限元模型

1.1有限元模型的建立

机车车体结构采用框架式整体承载全钢箱形壳体焊接结构，双端司机室。车体结构不具有完整的对称性，为使车体有限元模型与实际车体结构保持一致，保证计算结果的有效性，在采用ANSYS建立车体的有限元模型时，采用整车计算模型。车体有限元模型包括669 812个壳单元、114 254个质量单元、6 890个弹簧单元、56 946个体单元和698 836个节点。车体的有限元模型如图1所示。

图1　电力机车车体的有限元模型

1.2计算工况的确定

参照《内燃、电力机车车体静强度试验方法》《电力机车通用技术条件》等标准，确定了对机车车体进行计算分析时采用的12个载荷工况，分别为：

(1)极限垂直过载。

(2)纵向压缩载荷。

(3)纵向拉伸。

(4)司机室压缩工况1。

(5)司机室压缩工况2。

(6)司机室压缩工况3。

(7)排障器压缩工况。

(8)单端复轨工况。

(9)整体起吊工况。

(10)内架车垫板架车工况。

(11)外架车垫板架车工况。

(12)转向架牵引座冲击工况。

2车体的强度计算分析

2.1车体结构的应力分析

车体钢结构所用材料的机械特性如表1所示。

表1车体材料的机械性能

车体钢材料的许用应力，根据标准UIC566《客车车体及其部件的载荷》确定，工况1的安全系数取1.5，工况2和工况12的安全系数取1.0，其他工况的安全系数取1.1。各个工况下两种车体材料的许用应力如表2所示。

表2　车体结构所用材料的许用应力/MPa

各个工况中车体材料的应力如表3所示。从结果中可以看出，车体材料的应力都在许用应力范围内。

其中，转向架牵引座冲击工况(工况12)下的整车应力(单位MPa)云图如图2所示。

表3　各个工况中车体材料的应力结果

图2　工况12下整车应力云图

2.2车体结构的变形分析

在起吊工况下，两个支座中心间车体边梁处的垂向挠度必须小于或等于两个支座中心间距的1/1000。主要工况允许的车体边梁处的垂向挠度如表4所示。从表4可以看出，车体结构的变形满足要求。

表4　主要工况允许的垂向挠度/mm

2.3车体结构的模态分析

车体结构的模态是评价列车运行安全性和乘坐舒适性的一个重要参数[1]。车体具有良好的动态特性，不仅能避免与转向架自振频率接近，也能提高车体的弹性弯曲自振频率[2]。

经仿真计算，自由状态下车体结构的一阶垂向弯曲模态为14.766 Hz，大于10 Hz；整备状态下，车体结构的一阶垂向弯曲模态为9.214 Hz，能够有效地避开转向架的点头和沉浮振动频率，达到设计要求。其中,自由状态下，车体钢结构的一阶垂向弯曲模态如图3所示。

图3　自由状态下车体结构一阶垂向弯曲模态

3结论

通过以上的计算分析可以得出,该机车车体的强度和刚度都满足相关标准的要求。

参考文献

[1]王贺鹏,佟维.车体模态测试仿真[J].内燃机车,2008(4):1-4.

[2]于金朋,张卫华,孙帮成,等.高速车体结构参数对车体模态频率的影响分析[J].铁道学报,2015,37(9):32-37.

[责任编辑：赵伟]

收稿日期：2016 - 03 - 05

作者简介：吴敏(1979—)女，河南开封人，郑州铁路职业技术学院国际教育学院教师。

中图分类号:U260.331

文献标志码:A

文章编号：1008-6811(2016)02-0033-03

Simulation Analysis of Static Strength of the Steel Electric Locomotive Car Body

WU Min1，CHEN Ran1，ZHANG Ling2

(1. Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052, China；2. Henan Finance and Taxation College , Zhengzhou 451464, China)

Abstract:Finite element model for the car body structure of steel electric locomotive was established by using the finite element software ANSYS, the load modes were determined according to the corresponding standards. The static strength and vibration forms of the car body were calculated. The results show that the static strength and rigidity of the steel locomotive car body is consistent with the requirement.

Key words:electric locomotive; finite element; strength; mode