机车冷却间钢结构强度计算分析

崔洪江，赵猛

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)



机车冷却间钢结构强度计算分析

崔洪江，赵猛

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

以机车冷却间钢结构为研究对象，进行有限元计算分析.明确了在峰值加速度下应力与变形的分布范围，确定结构最薄弱的部位为钢结构与机车底板螺栓结合处，计算结果满足强度设计标准要求.在满足许用应力的条件下，以黄金分割的思想改变螺栓的位置，达到降低结构计算应力的预期目的，最终得出优化结构模型.

机车冷却间；钢结构；强度；有限元分析

0 引言

在现代运输系统中,高速铁路得到了极为快速的发展.与航空和高速公路相比,它还有节约能源和减轻环境污染的优势,也符合可持续发展的要求.因此,高速铁路的发展是社会经济发展的必然选择,也是解决交通运输问题的有效途径.过去,机车车辆承载结构强度分析主要采用材料力学、结构力学、弹性力学等的计算方法,随着计算机技术的发展和有限元法的广泛采用,机车车辆承载结构强度分析方法现在主要采用有限元法.通过有限元法进行分析计算,分析结构承载的载荷是否达到所允许的最大应力和变形,判断零部件能否满足设计要求,以检验设计的合理性[1].

本文针对机车冷却间钢结构，利用大型有限元分析软件ANSYS进行了有限元分析.依据高速列车的相关标准进行了强度计算，从而对结构设计的安全性进行了校核与验证.同时提出采用黄金分割的思想改变固定螺栓的位置，以得到较好的优化模型，降低结构的工作应力.

1 机车冷却间结构描述

机车冷却间是机车的重要组成部分，主要由钢骨架、冷却风扇、牵引电动机、冷却风扇电机、散热器、水箱钢机构、车底板构成.冷却间钢结构的材料为Q460E，它属于低合金结构钢，材料的密度ρ=7.85 kg/m3、弹性模量E=2.06×105MPa、泊松比μ=0.3.冷却间结构参数见表1.

表1 冷却间结构参数

注:1.散热器重量不包括水的重量(330 kg);

2.膨胀水箱重量不包括水的重量(260 kg).

2 机车冷却间强度设计标准

按照材料力学强度理论的要求，由于结构钢属于塑性材料，故采用屈服极限来考核.根据第四强度理论，在规定的静强度载荷工况下，当量应力(Von mises应力)不得超过材料的许用应力，即σe≤[σ]为满足实际工程的需要，允许计算值超过许用应力值的5%.公式如下[2]：

(1)

[σ]=σs/ s= 460/1.51=304.63MPa

式中,σe为当量应力，MPa；σi为主应力(i=1,2,3)，MPa；S 为安全系数，这里取1.51.

材料在处于弹性阶段时，根据胡克定律公式如下[3]：

(2)

式中,Δl为伸长量，mm；A 为横截面积，mm2；E为弹性模量.

TBT 1335-1996[2]中规定，车体的挠跨比评定标准如下：

(3)

式中,f为挠度，m；L为车辆定距，m.

3 有限元计算分析

有限元方法的基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件和节点的应力平衡条件综合求解[4].

利用UG软件建立三维钢结构模型，完成后的模型如图1所示.

图1 冷却间钢结构三维模型图

钢结构模型导入到ANSYS平台后，采用静力分析模块进行有限元分析计算.由网格工具划分计算网格，统计共有单元986 147个，节点1 863 572个，网格划分结果如图2所示.

图2 网格划分

根据GB/T 21563-2008/IEC 61373:1999标准[5]，对钢结构施加载荷，其中纵向、横向、垂向的静强度加速度分别为50、30、30 m/s2，且在风机固定装置、水箱支架、散热器位置处的静强度载荷分别为0.049、1 971.8、0.034 MPa.

冷却间钢结构连同供水水箱支架在峰值加速度载荷作用工况下固定螺栓的等效应力为288.55 MPa.该值小于由式(1)计算得到的许用应力304.63 MPa，满足强度标准.

图3为钢结构的位移变化云图,最大位移发生在钢结构的斜拉筋处，数值为2.08 mm.该值小于由式(3)计算得到的挠度值18 mm，满足变形要求.图4为螺栓处应力值达到最大时的放大云图.

图3 钢结构位移变化云图

图4 螺栓处最大应力放大云图

4 模型优化

根据黄金分割的思想，将螺栓距底板左边界位置826、2 446、4 066 mm改为1 157、3 028、4 899 mm，同时避免了竖梁与螺栓应力集中的情况.螺栓位置改变前后对比如图5所示，应力变化如图6所示.

(a)优化前

(b)优化后

(a)优化前

(b)优化后

优化后钢结构最大应力值由原来的288.55 MPa降至266.92 MPa,小于许用应力304.63 MPa，应力值约降低了7.5%.最大位移稍有增加，由原来的2.075 6 mm增加到2.160 9 mm，但是其值只有0.085 3 mm，相对于钢结构的大尺寸可以忽略不计.

5 结论

(1)静态强度用来保证钢结构的安全性.通过数值仿真计算，发现最大应力值发生在车底板与钢结构螺栓结合处，其值小于许用应力，满足强度要求；

(2)结合黄金分割的思想，改变固定螺栓的位置排列，最大应力仍然是在固定螺栓的螺栓杆上，但是应力值约降低了7.5%，使得机车在运行过程中更加的安全可靠.

[1]张志华，宋永增.动车组铝合金车体结构强度分析[D].北京：北京交通大学，2007.

[2]中华人民共和国铁道部.TB/T 1335-1996 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].北京:中国铁道出版社,1996.

[3]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[4]江见鲸.有限元法及其应用.[M].北京:机械工业出版社，2006.

[5]中华人民共和国国家标准.GB/T 21563-2008/IEC 61373:1999 轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验[S].北京:中国标准出版社，2008.

Strength Computation Analysis of Steel Structure of Locomotive Cooling

CUI Hongjiang，ZHAO Meng

(School of Traffic &Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

Aiming at the locomotive cooling of steel structure and using finite element analysis,the distribution of stress and deformation under peak acceleration is determined,and the weakest part of the structure is the bolt junction between the steel structure and locomotive base plate.The result satisfies the requirement of strength design criteria.Under the condition of allowable stress,the position of the bolt is changed to reduce the expected stress,and the optimizing structure model is obtained.

locomotive cooling；steel structure；strength；finite element analysis

1673- 9590(2016)03- 0057- 03

2015- 08- 20

崔洪江(1972-),男，副教授,博士，主要从事机车车辆空气动力学的研究E-mail:randycui@163.com.

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