主车架静强度仿真及试验范文

《机械工程与自动化杂志》2014年第二期

1主车架结构应力分析

工况①、②主要考察主车架在运用状态下的应力分布，工况③、④、⑤主要考察主车架在修理、起吊状态下的应力分布。主车架在各工况下的最大应力值及出现位置见表2。主车架最大应力出现在工况②，由此可以看出：主车架整体纵向力主要通过牵引梁、底架及上悬中梁进行传递（见图3），在纵向力从底架向上悬中梁传递过程中，车辆前端主要通过立柱进行传递，后端则通过异形梁和转接梁进行传递。主车架最大应力位于车辆前牵引梁补强板筋板处（见图4），此位置由于纵向力的传递路线发生变化，故产生了应力集中现象。计算结果表明，主车架在各工况下节点最大应力均小于标准规定值，静强度满足标准的要求。

2主车架静强度试验工况

2.1垂直载荷试验在已经贴好应变片的条件下，在车架上均布等同于车架自重的配重，测得的应力即为车架自重载荷下的应力。在已经贴好应变片的条件下，在车架上机构安装位置铺设等同于机构重量的配重，测得的应力即为车架机构载荷下的应力。车辆在运行过程中还会受到垂向动载荷的作用，按照标准规定垂向动载荷下的应力由垂直静载荷下的应力乘以垂向动荷系数Kdy得到。

2.2侧向力试验按照TB／T1335－1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中的相关规定，在计算或试验车体侧梁、枕梁以及侧墙的强度时，可不施加侧向力而以加大垂向载荷来考虑侧向力的影响。由于标准中并没有详细规定大型养路机械的垂向载荷增加数值，根据运用条件的相似性，参照货车为垂向静载荷的10％来考虑。

2.3纵向拉伸载荷试验根据标准规定，采用1125kN的纵向拉伸载荷，该力沿车钩中心线一端作用于车辆前从板座上，在另一端联接叉处施加约束。由于主车架为上悬中梁结构，在拉伸及压缩载荷加载过程中容易出现较大变形，所以试验加载时需缓慢加载，并检测车架纵向变形及上悬中梁垂向变形。

2.4纵向压缩载荷试验根据标准规定，采用1180kN的纵向压缩载荷，该力沿车钩中心线一端作用于车辆后从板座上，在另一端联接叉处施加约束。

2.5扭转载荷试验根据标准规定，心盘支重式结构的车体不考虑斜对称载荷，但必须在第一工况中考虑40kN／m的扭转载荷［4］。

2.6修理和起吊试验修理工况试验用于模拟修理时施加于车架上的载荷。在贴好应变片的条件下，通过纵向铁鞋约束车辆纵向移动，利用架车机在一端顶车位架起整备重量下的车架，并在另一端架车位重复测试。起吊试验用于模拟维修、吊装运输及救援时的情况。将转向架固接在车架上，使用吊车在起吊点将整车吊起，直至转向架脱离钢轨。

3仿真与试验数据对比分析

3.1仿真与试验数据对比该车架在静强度试验中，应变片主要选取车架结构的1／2进行布点，重要部位则布置对称测点。车架测点约为110个，主要布置在上悬中梁、枕梁、侧梁、牵引梁及立柱上。这里主要就纵向压缩工况的仿真结果与试验数据进行对比，见表3。由表3可以看出，仿真值与试验所测得的应力分布趋势相同，且相对误差比较小，只有枕梁上相对误差较大，但相差数值仍然在13MPa以内，其他各测点数据相对误差在10％以内。

3.2误差分析通过对以上数据及主车架模型的分析，现将可能造成有限元仿真结果与试验结果差异的原因总结如下：（1）建模误差。有限元模型建立时，考虑的几何模型为理想模型，不存在制造误差。但在实际制造过程中，加工过程及工艺情况都会对主车架有一定的影响［5］。在建模过程中将车架等效为了壳单元，在理论计算及尺寸处理方面存在一定的误差。（2）所选节点与应变片位置差异。试验时贴应变片的位置一般选在距离截面突变处或焊缝5mm～10mm处。但在根据应变片位置查找有限元模型相应节点时，无法做到位置上的完全重合，只能选取位置相近的节点近似位置，从而导致了仿真结果和试验结果的差异。（3）加载方式及应力合成方式差异。仿真时，各工况组合载荷是同时施加在车架有限元模型上进行计算的，应力值是按照有限元理论进行计算产生的。试验时，受试验条件的影响，各工况的载荷是分别施加，测得单向应力，并进行线性叠加得到该工况的应力值。而实际情况下，测得的单向应力并不能完全代表该位置应力情况，且应力值与所施加载荷也不是线性关系，这也造成了一定的误差。

4结论

在模型建立、加载工况及约束条件合理的情况下，除局部受力复杂点以外，仿真数据及试验数据的误差基本能够保持在10％以内，证明该仿真方法是可行的。考虑到大型养路机械与普通铁道车辆的区别，主要科研及运用单位应该在综合其使用条件及特点的基础上提出适合大型养路机械的结构强度和试验标准，为今后的设计提供参考，以使结构设计及评价更加合理。

作者：谢耿昌傅茂海聂嵘赵卫吴克明单位：西南交通大学机械工程学院昆明中铁大型养路机械集团有限公司