基于ANSYS分析的漏斗车侧支撑结构稳定性研究

冯创友 刘兵 杨艳萍 黄盼 江明星

摘要：本文针对出口阿根廷K75-ARG型漏斗车端部侧支撑组成在首次试验的顶车工况时出现大变形问题，分析变形原因，并通过有限元分析软件ANSYS对端部侧支撑组成在顶车工况下进行了稳定性分析，提出合理的解决方案，并通过第三方试验验证。

关键词：漏斗车;稳定性;分析

中图分类号：U272.6+2                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0049-02

0  引言

中车眉山车辆有限公司于2015年为阿根廷铁路设计制造了K75-ARG型漏斗车（以下简称“漏斗车”），该车车体钢结构静强度和刚度满足TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及实验鉴定规范》。样车首次静强度试验中，顶车工况出现了端墙两侧的侧支撑组成变形较大问题（如图1所示），该区域的最大等效应力较小，是典型的小应力区产生大变形现象，即局部结构出现了失稳破坏。本文利用大型有限元分析软件的屈曲分析模块，对上述问题进行仿真再现，并给出了问题的解决措施。

1  屈曲分析概述

屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模態形状的技术。包括线性屈曲分析和非线性屈曲分析，线性屈曲分析又称为特征值屈曲分析。

线性屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度（分叉点），该方法相当于教科书里的弹性屈曲分析方法。但是，初始缺陷和非线性使得很多实际结构都不是在其理论弹性屈曲强度处发生屈曲。因此，特征值屈曲分析经常得出非保守结果，通常不能用于实际的工程分析。

非线性屈曲分析是一种典型而且重要的几何非线性分析，常用于对实际结构的设计或计算。模型中可以包括诸如初始塑性、缺陷、大变形响应等特征，该方法用一种逐渐增加载荷的非线性静力分析技术来求得使结构开始变得不稳定时的临界载荷。

2  仿真分析及结构优化

2.1 原方案有限元分析

该漏斗车车体为钢板整体焊接结构，计算模型如图2所示。顶车工况下的屈曲分析，作用在模型上的载荷有车体自重、载重75t、顶车载荷。在线性屈曲分析过程中，如某些荷载是常数（如自重荷载），而其他荷载是可变的（如外荷载），则必须要确保从常数荷载得到的刚度，在特征值求解时不被缩放。为达到这一目的的一个策略，采用在特征解上迭代，调整可变荷载，直到特征值变成1.0（或接近1.0，即允许一些收敛容差），用这种迭代方法来得到最终外载荷就是临界屈曲载荷。原方案线性屈曲分析时，逐步调节施加的顶车载荷，使特征值接近1（如图2所示），计算出临界载荷为33.6t，小于试验时顶车垫板上施加的43.14t。

2.2 原因分析及解决措施

原方案考虑到标记涂打的位置以及牵引梁段的风制动装置、卸货控制系统的布置空间，将端墙设计成新型的板柱-立板结构，侧支撑组成由侧立板（5mm）和封板组成T型结构，侧立板内侧面焊有封闭三角形补强边框，侧支撑组成仅靠几条角接焊缝与车体焊接。顶车工况试验时，侧支撑组成直接承受来自顶车垫板试验载荷，将形成两端受压的薄板结构，容易导致结构失稳。加强方案在两侧的侧支撑处组焊一根连接端横带与枕梁上盖板的斜撑（如图3所示），使顶车载荷通过新增的斜撑传递到端横带，进而整个端墙结构承受顶车载荷作用。

2.3 加强方案有限元分析

加强方案线性屈曲分析时，计算得出加强方案屈曲临界载荷为51.2t，对加强方案进行了非线性屈曲分析。采用弧长法，施加线性屈曲分析的临界载荷作为给定载荷，并绘制出屈曲点沿车体横向的变形曲线（如图4所示），计算出临界载荷为46.6t，大于试验载荷43.15t。

3  试验验证

2015年8月，第三方试验机构（西南交通大学牵引动力国家试验室）在中车眉山车辆有限公司产品性能实验室完成了该漏斗车车体静强度试验。所有测点的顶车合成应力均小于所用材料的屈服极限，顶车位及其附近结构无永久变形，顶车工况顺利通过试验验证。

4  结论

本文以出口阿根廷K75-ARG型漏斗车静强度试验中出现的侧支撑外胀现象为研究对象，分析了出现外胀的原因。采用ANSYS软件完成了顶车工况的线性和非线性屈曲分析，提出了合理的解决失稳问题的技术措施，算结果表明：加强方案的侧支撑临界屈曲载荷远大于顶车工况的顶车载荷。第三方试验结果表明，该技术措施圆满的解决了侧支撑组成的失稳失效问题。通过本文研究表明，有大面积薄板结构的车体设计时，应进行按相关标准的各工况线性屈曲分析，对于其临界载荷值接近标准规定的试验值时（约为1.2倍），应进行更为复杂的非线性屈曲分析，以便在有限的研发周期里确保结构的可靠性和稳定性。

参考文献：

[1]中车眉山车辆有限公司.阿根廷25t轴重宽轨矿石漏斗车车体结构静强度分析报告[R].2015.

[2]范章，左树春.碟形封头在外压作用下的屈曲分析[J].压力容器，2013，31（1）：34-39.

[3]西南交通大学牵引动力重点实验室.K75-ARG型矿石漏斗车车体检测报告[R].2015.

[4]严隽髦，付茂海.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2008.