某不锈钢车水箱安装框架强度分析与结构优化

刘莉

摘要：文章对某不锈钢车的水箱安装框架结构进行了有限元静强度分析，参考静强度计算结果，对安装框架进行了结构优化，并进行了有限元静强度分析和疲劳强度分析，结果表明，优化方案满足结构强度要求。

关键词：不锈钢车；水箱；安装框架；框架强度；结构优化 文献标识码：A

中图分类号：U469 文章编号：1009-2374（2016）30-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.015

1 概述

某不锈钢车水箱安装框架在设计过程中采用了大量的角焊缝，为了保证车辆在运行过程中水箱结构的安全可靠，需要对水箱满载状态安装框架结构的强度以及焊缝的疲劳强度进行仿真分析和校核。文章采用有限元法对该不锈钢车的水箱安装框架结构进行了有限元静强度分析。在分析过程中，对安装框架进行了结构优化，并对优化方案进行了有限元静强度分析和疲劳强度分析，结果表明，优化方案满足结构强度要求。

2 水箱安装框架结构及静强度分析

2.1 水箱安装框架结构

某不锈钢车的水箱安装框架结构由矩形管、C型梁、扇形板、连接板、弯梁等组成，每个水箱通过8个螺栓两端固定在矩形管上。水箱安装框架（带部分车体）初始有限元模型如图1（a）所示。按照相关要求，在进行仿真分析计算时按照每个不锈钢水箱554kg计算。

（a）水箱安装框架初始有限元模型（b）优化方案有限元模型

图1 水箱安装框架有限元模型

2.2 有限元模型

某不锈钢车的水箱安装框架结构及部分车顶主体采用板壳单元（shell181）进行离散，用实体单元（SOLID185）模拟塞焊连接。在Hyper Mesh软件中首先抽取三维几何模型的中面，将三维实体几何模型转化二维中面几何模型，使用壳单元建立有限元模型。模型共划分了182054个单元、179908个节点，如图1（a）所示。

2.3 材料特性

模型中除矩形管的材质为X5CrNi18-10，波纹板的材质为SUS301L-3/4H（屈服强度≥480MPa，抗拉强度≥820MPa），其余结构如C型梁、连接板、弯梁等材质均为SUS301L-1/2H（屈服强度≥410MPa，抗拉强度≥760MPa）。其中模型中所用材料的密度均为7850kg/m3，弹性模量206GPa，泊松比0.3。

2.4 边界条件和计算工况

在车顶四周施加约束，约束节点的6个自由度。依据UIC 566标准，计算静强度时工况为纵向（X向）5g、横向（Y向）1g、垂向（Z向）3g。

2.5 疲劳强度计算工况

考虑到该不锈钢车的水箱安装框架结构的不对称性，根据EN12663-1标准，水箱安装框架疲劳强度的加载工况如表1所示：

2.6 静强度计算结果分析

在2.4节边界条件和计算工况作用下，水箱安装框架的静强度计算结果如图2所示。其中最大应力为1211.48MPa，大于屈服强度410MPa，发生在多孔连接板和扇形板之间的塞焊位置。

分析结果可以看出：在2.4节边界条件和计算工况作用下，多孔连接板和扇形板之间塞焊位置的应力值超过了强度许用应力值，此方案下水箱安装框架结构静强度不满足要求。

3 优化方案

3.1 优化方案的水箱安装框架结构

根据2.6节中的静强度计算结果，分析讨论后提出以下的优化方案。在优化方案中新增了C型斜梁和方管。新增的C型斜梁材质为X5CrNi18-10（屈服强度≥230MPa，抗拉强度540～750MPa），新增的方管材质为SUS301L-1/2H。优化方案的水箱安装框架有限元模型如图1（b）所示。

3.2 优化方案的水箱安装框架有限元模型

建立优化方案的水箱安装框架结构的有限元模型方法同2.2，模型共划分了191148个单元，193782个节点，如图1（b）所示。

3.3 优化方案水箱安装框架静强度计算结果分析

在2.3节～2.4节相同的材料特性、边界条件和静强度计算工况作用下，优化方案水箱安装框架的静强度计算结果如图3所示。其中最大应力为243.801MPa，小于屈服强度为410MPa，发生在多孔连接板和扇形板之间的塞焊位置。

对应力结果分析可以看出：

在2.4节边界条件和计算工况作用下，多孔连接板和扇形板之间的塞焊位置的应力小于强度许用应力值，此方案下水箱安装框架结构静强度满足要求。

3.4 优化方案水箱安装框架疲劳强度计算分析

根据《动力转向架构架强度试验方法》（TB/T2368-2005）附录D中的B12/RP17提供的钢材疲劳极限图对水箱安装框架进行疲劳强度评估，基于水箱安装框架所用的材料，疲劳极限图采用抗拉强度≮520MPa的疲劳极

限图。

优化方案的不锈钢车水箱安装框架在2.5节10种疲劳强度计算载荷工况作用下，对水箱安装框架的关键焊缝的应力因数进行分析。图4表示水箱安装框架焊缝的位置以及计算应力与许用应力的比较。水箱安装框架焊缝区域的最大应力因数为0.368，根据EN15085-3，应力因数<0.75，应力等级为低级。该水箱安装框架满足疲劳强度要求。

4 结语

（1）对比应力结果分析可以看出：水箱安装框架采用优化方案，在纵向5g、横向1g、垂向3g的载荷工况下，满足静强度要求，优化方案可行，这可为工业生产提供一定的理论参考依据；（2）优化方案中，水箱安装框架在10种疲劳强度计算载荷工况作用下，焊缝区域的最大应力因数为0.368，根据EN15085-3标准，应力因数<0.75，应力等级为低级。优化方案下该水箱安装框架满足疲劳强度要求。

参考文献

[1] 客车车体及其构件的载荷（UIC 566）[S].

[2] 动力转向架构架强度试验方法（TB/T2368-2005）[S].

[3] 铁路设施——铁路车辆车身的结构要求（第1部分）：机车和客运车辆（以及货车的替代方法）（EN 12663-1-2010）[S].

[4] 铁路应用-铁路车辆和车辆部件的焊接（第3部分）：设计要求 包括勘误1（EN15085-3）[S].