王 薈，曾黎明

(1.武漢理工大學(xué)復(fù)合材料系，武漢 430070)(2.華南理工大學(xué)高分子系，廣州 510641)

鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其有限元分析

王 薈1,2，曾黎明1*

(1.武漢理工大學(xué)復(fù)合材料系，武漢 430070)(2.華南理工大學(xué)高分子系，廣州 510641)

貨運棚車；復(fù)合材料地板；防滑設(shè)計；中空結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；ANSYS

1 鐵道貨運棚車地板的設(shè)計背景

20世紀(jì)80年代，我國鐵道貨運棚車，多采用木質(zhì)地板，木質(zhì)地板與裝載貨物之間具有較高的摩擦因數(shù)，能比較方便地對所裝載貨物進行安全加固。但是木質(zhì)地板的抗老化能力差，耐久性不足。一般鐵道貨運棚車廠修期為5～6年，廠修時原車木質(zhì)地板破損嚴(yán)重，大多需要更新，因此，用于棚車廠修的木材消耗量非?？捎^[1]。

20世紀(jì)90年代，竹膠板作為木質(zhì)地板的替代品成功地在棚式貨車上推廣應(yīng)用(P64A型棚車等車型采用厚30 mm的竹膠板作為地板)，在一定程度上解決了木材供應(yīng)不足的問題。由于竹膠板硬度較低，不耐沖撞，在裝運貨物的過程中容易破裂，存在安全隱患。此外，竹膠板的密度較大(0.95 g/cm3～1.3 g/cm3)[2]，若增厚竹膠板來增加安全系數(shù)，則會給車輛帶來較大自重。

P70型棚車是一種采用新技術(shù)、新工藝制造的新型通用棚車，該車裝用新型竹木復(fù)合層積材地板。竹木復(fù)合層積材是一種竹材與木材的復(fù)合材料，該材料理論上具有表面強度大、硬度高、耐磨損、耐腐蝕而中間層較軟的特性，用作鐵路貨車地板時可替代傳統(tǒng)的竹膠板使用。但裝用竹木復(fù)合層積材地板的P70型棚車自制造出廠和段修后，在運用較短的時間內(nèi)就發(fā)生了地板破損故障，且故障車數(shù)量較多，直接影響了貨物運輸和行車安全[3]。

由于現(xiàn)有的鐵道貨運棚車地板不能滿足使用要求，有關(guān)方面提出用新材料地板來代替竹膠板和竹木復(fù)合層積材地板的需求。纖維增強復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、耐低溫、耐沖撞、耐腐蝕等優(yōu)異性能，并且具有獨特的可設(shè)計性，是制作貨運棚車地板比較理想的材料。

從成型工藝的角度考慮用復(fù)合材料制造鐵道貨運棚車地板的可行性：鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板可以采用拉擠工藝成型。拉擠工藝是采用牽引技術(shù)把樹脂、增強材料及添加劑等組分通過復(fù)合、成型及固化等過程制成連續(xù)長度的增強塑料型材的成型工藝。只需依據(jù)地板結(jié)構(gòu)要求開出相匹配的模具，拉擠設(shè)備就可以自動連續(xù)地生產(chǎn)纖維增強塑料地板型材[4]，且拉擠工藝具有產(chǎn)品性能穩(wěn)定，投資成本低，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。拉擠工藝是鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板成型的保障之一。

圖1 玻璃纖維增強復(fù)合材料地板的等軸側(cè)局部放大圖

2 鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板的特點

鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板(圖1)具有以下特點：

(1)鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板的設(shè)計充分利用了復(fù)合材料的力學(xué)可設(shè)計性，在保障地板強度和剛度要求的前提下，采用獨特的中空結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低地板自重，使其表觀密度降低至1.1 g/cm3及以下，克服了竹膠板的密度較大帶來的問題。

(2)鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板破損安全性好，不會像竹膠板等材料一樣突然發(fā)生破壞，而是需要經(jīng)歷基體損傷、開裂、界面脫粘、纖維斷裂等一系列過程。當(dāng)?shù)匕宄d并有少量纖維斷裂時，載荷會通過基體的傳遞迅速重新分配到未破壞的纖維上去，這樣短期內(nèi)不至于使整個地板喪失承載能力[5]，便于在地板材料完全破壞之前，做出應(yīng)對。

(3)鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板采用較為穩(wěn)定的拉擠成型工藝，不僅能夠保障其使用性能，更能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高效率。此外，采用拉擠工藝成型的復(fù)合材料板材，纖維體積分?jǐn)?shù)(含量)可達70%以上，其強度和模量遠高于其他工藝成型產(chǎn)品。所以，鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板的力學(xué)性能和穩(wěn)定性較好，不會像竹木復(fù)合層積材地板一樣在運用較短的時間內(nèi)就發(fā)生地板破損故障。

(4)鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板耐熱、耐沖擊、耐化學(xué)腐蝕性好，且其阻尼減震性能優(yōu)異，其結(jié)構(gòu)一般不易產(chǎn)生共振，能應(yīng)對鐵路棚車復(fù)雜的使用環(huán)境。

基于復(fù)合材料比強度高、比模量大、耐疲勞性好、破損安全性好、耐高低溫性、耐腐蝕及獨特的力學(xué)可設(shè)計性等優(yōu)點，鐵道貨運棚車采用耐疲勞性好、耐久性佳的復(fù)合材料地板，具有長遠經(jīng)濟效益。

3 鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 地板整體設(shè)計依據(jù)與規(guī)范

依據(jù)鐵道部門提供的P70型鐵道貨運棚車的車體參數(shù)來進行地板設(shè)計：

參考P70型棚車現(xiàn)用的竹木復(fù)合板的尺寸參數(shù)作為設(shè)計依據(jù)：

3.2 鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板的防滑設(shè)計

調(diào)研了現(xiàn)有地板的防滑齒型設(shè)計，有U型槽和V型槽兩種。從便于成型加工及減少槽邊緣磨損的角度考慮，選擇如圖2所示的V型槽。V型槽的尺寸參照現(xiàn)有地板防滑齒槽的尺寸得到：槽截面：等邊三角形，齒槽深：0.9 mm，齒槽中心距：4.38 mm。

圖2 地板V型齒

3.3 鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板的中空結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計依據(jù)：地板的表觀密度≤1.1 g/cm3，此外，考慮到減小拉擠過程中所需牽引力，初定孔隙形狀為圓孔，初定在地板橫截面上開9孔。

地板長：279 cm寬度：26.6 cm厚度為3.09 cm(防滑齒高0.09 cm)

地板的表觀密度：ρ1=1.1 g/cm3實際密度：ρ2=1.8 g/cm3

表觀體積：V1=279×26.6×3.09=2.29×104cm3

實際質(zhì)量：M2=ρ1V1=2.52×104g

實際體積：V2=M2/ρ2=1.40×104cm3

設(shè)圓孔半徑為R，則：(26.6 cm×3.09 cm- 9πR2)×279 cm=1.40×104cm3

R=1.06 cm=10.63 mm

故，為保證地板的表觀密度至少為1.1 g/cm3，圓孔半徑必須大于等于10.63 mm。

考慮到地板上表面直接與貨物或叉車輪胎接觸，可能在受到某些集中載荷時，產(chǎn)生局部屈曲，為避免上表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，故暫定將圓孔下移1 mm，即上表面的最小厚度為5.37 mm，下表面的最小厚度為3.37 mm。地板截面示意圖如圖3所示。

圖3 地板截面示意圖

3.4 基于ANSYS14.5的單元梁的彎曲強度、剛度校核

3.4.1 地板有限元模型的建立

有限元模型的建立方法可分為：直接法和間接法。直接法：直接根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的幾何外型建立節(jié)點和單元，因此直接法只適應(yīng)于簡單的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。間接法：適用于具有復(fù)雜幾何外型、節(jié)點及單元數(shù)目較多的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。該方法通過點、線、面、體，先建立實體模型，再進行網(wǎng)格劃分，以完成有限元模型的建立。

地板模型的建立采用間接法建模。先通過點、線的設(shè)定，建立地板單元的截面模型，選擇plane82單元，進行面網(wǎng)格劃分(圖4)。再采用拉伸的方式得到實體地板單元(圖5)，并選擇SOLID46單元劃分體網(wǎng)格，在拉伸方向劃分50等分(圖6)。由于本文的復(fù)合材料為單向?qū)雍习?，在ANSYS中選擇SOLID46層合單元后，在實常數(shù)選項當(dāng)中定義層合單元為一層，鋪設(shè)角度為0°，厚度為30 mm。材料屬性選擇線彈性各向異性，并輸入所采用的E玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂的各個方向的彈性模量、剪切模量和泊松比(圖7)。

圖4 地板截面網(wǎng)格劃分

圖5 地板實體模型

3.4.2 第一工況下，地板模型約束及求解設(shè)置

第一工況是指鐵道貨運棚車地板在滿載情況下，承受的垂直靜載荷和垂直動載荷的總和。P70型棚車，滿載情況下的垂直靜載荷為70 t，垂直動載荷由垂向靜載荷乘以垂向動載荷系數(shù)得來。垂向動載荷系數(shù)取0.3，垂向動載荷為21 t，垂向總載荷為91 t，單位面積載荷為:91 t/ (16.1 m×2.8 m)=2.019 t/m2。

圖6 地板實體網(wǎng)格劃分

T1TemperaturesEX4e9EY4e9EZ28e9PRXY0．38PRYZ0．086PRXZ0．086GXY1．5e9GYZ2．4e9GXZ2．4e9

圖7 地板材料參數(shù)

在ANSYS中模型的約束可作如下方式的等效：(1)由于地板模型長度為453 mm，為簡化模型建模時只拉伸了226.5 mm，故應(yīng)在地板一個截面上加一個對稱載荷。(2)地板單元的支撐方式為四邊簡支，故還應(yīng)該在地板下表面的其他三邊，加載垂直方向(即Y方向)的位移約束。

對于求解選項的定義，盡量使時間步長小，時間步長取值太大會破壞接觸力的光滑傳遞，本文采取最簡便的方法來定義時間步長，即打開自動時間步長選項[6]。

3.4.3 第一工況下，單元梁的應(yīng)力分析及剛度計算

在地板單元上表面加載第一工況下地板所需承載的壓強：2.02×104Pa。求解后得出如圖8—9所示地板應(yīng)力von mises 圖。

從圖8-9可以看出，地板單元各處的應(yīng)力分布情況不完全相同。在第一工況下，應(yīng)力的最大值為9.45 MPa，位于地板中央的5個圓孔的下表面。其次，在地板單元的支撐位置，也承受1.05～2.10 MPa的接觸應(yīng)力。而地板材料的實測極限彎曲強度較大，為537.31 MPa，遠遠大于第一工況下的最大應(yīng)力值，所以在第一工況下地板強度滿足要求。

圖8 地板在第一工況下的應(yīng)力von mises分布圖

圖9 地板在第一工況下的應(yīng)力von mises分布圖

圖10是地板單元在第一工況下Y方向(垂直方向)上的位移圖，由圖10可見，地板在第一工況下的最大撓度為0.068 4 mm，位于整個地板單元的中心區(qū)域。地板單元的撓度從中心區(qū)域向外逐漸變大。以此撓度來計算地板單元的應(yīng)變?yōu)?6.080×10-8，遠遠小于地板材料的斷裂延伸率1%，所以在第一工況下地板剛度滿足要求。

圖10 地板在第一工況下Y方向上的位移圖

3.4.4 第二工況下，單元梁的應(yīng)力分析及靜剛度計算

第二工況是指叉車在地板上行進對地板施加的載荷，每輪20 kN[7]，作用面積：200 mm×200 mm。則叉車作用在地板上的壓強為：5×105Pa 。將此壓強加載在地板上表面中心100 mm×200 mm的區(qū)域內(nèi)，求解后得出如圖11-12所示地板應(yīng)力von mises 圖。

圖11 地板在第二工況下的應(yīng)力von mises分布圖

圖12 地板在第二工況下的應(yīng)力von mises分布圖

從圖11-12可以看出，應(yīng)力最大的區(qū)域是圖示的紅色區(qū)域，即叉車載荷作用的中心區(qū)域，最大應(yīng)力為128 MPa。地板下表面的支撐位置也承受了較大應(yīng)力，約為99.7 MPa。地板材料的實測彎曲強度為537.31MPa，由于叉車作用在地板上的載荷為臨時載荷，安全系數(shù)取2，經(jīng)計算，在第二工況下地板強度滿足要求。此外，在加載了較大的叉車載荷時，下表面的應(yīng)力von mises最大的區(qū)域略多于上表面，但是避免了直接與載荷接觸的上表面產(chǎn)生局部屈曲，故將地板截面的圓孔下移1 mm，具有合理性。

圖13是地板受到叉車載荷時其Y方向(垂直方向)上的位移圖，由圖13可見，地板在第二工況下的最大撓度為 3.225 mm，位于叉車載荷作用的區(qū)域。地板單元的撓度從中心區(qū)域向外逐漸變大。以此撓度來計算地板單元的應(yīng)變?yōu)?.352×10-4，小于地板材料的斷裂延伸率1%，所以在第二工況下地板剛度也滿足要求。

圖13 地板在第二工況下Y方向上的位移圖

4 鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板的連接設(shè)計

復(fù)合材料連接在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中占有重要地位。合理的連接設(shè)計不但能夠滿足使用的設(shè)計要求，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且可以延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。復(fù)合材料的連接設(shè)計在某些場合甚至還可以成為產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。否則可能首先在結(jié)構(gòu)連接處產(chǎn)生破壞，甚至造成重大事故[5]。

4.1 地板與支撐梁的連接方式及強度校核

復(fù)合材料連接的方法主要分成兩大類：即膠接連接和機械連接。鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板與支撐梁之間采用機械連接。復(fù)合材料的機械連接是指鉚接、螺栓連接、銷釘連接等。為了裝拆和檢查方便，地板與支撐梁之間采用螺栓連接。

通過鐵道部門提供的棚車底部梁結(jié)構(gòu)圖(圖14)，來確定螺栓公稱直徑，進而確定地板開孔尺寸。

地板與支撐梁之間的螺栓連接屬于粗裝配，經(jīng)查閱GB/T 5277-1985緊固件螺栓和螺釘通孔[8]可知，與梁上開孔匹配的螺栓公稱直徑為10 mm，故地板的螺栓孔直徑初定為：12 mm。

在地板上開螺栓孔，會造成其局部應(yīng)力集中，嚴(yán)重時可能使地板破壞。為了校核地板開孔的安全性，利用ANSYS，將棚車端梁和連接梁間的這部分地板(梁間跨距為427 mm)建模，并在對應(yīng)位置開螺栓孔(孔徑D=15 mm)，加載第一工況下的載荷條件，得到地板開孔后的應(yīng)力von mises分布圖，如圖15-16所示：

圖14 棚車梁結(jié)構(gòu)(左件)示意圖和開孔放大圖

圖15 開孔地板在第一工況下的應(yīng)力von mises分布圖

由圖15-16可知，地板開孔位置會產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力在螺栓孔的邊緣(圖示紅色區(qū)域)，其值為1.25 MPa，遠遠小于地板材料的實測彎曲強度(537.31 MPa)。故地板開孔位置雖然會產(chǎn)生應(yīng)力集中，但是不會使地板材料破壞。

4.2 地板與地板間的連接

為使地板安裝時，兩塊地板之間沒有縫隙，將地板兩端結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖17所示。

在安裝時，另一塊地板的左端搭接在此塊地板的右端，從而使地板與地板之間形成無縫安裝，提升地板裝配的精確性，也避免因裝配縫隙而影響地板整體的美觀性。

圖16 開孔地板在第一工況下的應(yīng)力von mises分布放大圖

圖17 地板兩端結(jié)構(gòu)截面圖

4.3 地板開孔處的補強設(shè)計

螺栓連接存在某些缺陷，螺栓孔切斷了纖維，削弱了地板的受力面，會引起應(yīng)力集中，從而降低了地板的承載能力。雖然通過ANSYS計算可知，即使地板開孔位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中，在第一工況載荷條件下，也不會使地板材料破壞，但是，為減少安全隱患，建議采用定制的空心鉚釘，對開孔處補強。翻邊后的空心鉚釘?shù)慕孛鎴D如圖18所示。

需特別強調(diào)的是，GB876-86空心鉚釘標(biāo)準(zhǔn)[9]中規(guī)定的，公稱直徑最大的空心鉚釘為6 mm。而作為補強用的空心鉚釘?shù)墓Q直徑為14 mm。故該鉚

釘是非標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)重新開模定制。經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)在的鉚釘生產(chǎn)技術(shù)可以生產(chǎn)該種空心鉚釘，并有配套的鉚釘機。

圖18 翻邊后的空心鉚釘?shù)慕孛鎴D

空心鉚釘?shù)墓Q直徑為14 mm，空心鉚釘與地板之間屬于粗裝配，由GB/T152.1-1988 緊固件-鉚釘用通孔標(biāo)準(zhǔn)[10]可得，地板的螺栓孔直徑實際直徑為15 mm。

5 結(jié) 語

(1)依據(jù)P70型鐵道貨運棚車的車體參數(shù)，設(shè)計了相應(yīng)的E-玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料地板，其地板截面參數(shù)如圖19所示。并利用有限元軟件ANSYS 14.5建立準(zhǔn)確的地板結(jié)構(gòu)模型，分析相關(guān)地板參數(shù)設(shè)置的正確性。經(jīng)有限元軟件模擬分析，最危險的情況是在第二工況下，叉車作用在地板上的壓強為：0.5 MPa，叉車載荷作用的中心區(qū)域，最大應(yīng)力為：128 MPa，拉擠成型的板材實測彎曲強度為：537.31 MPa，由于叉車作用在地板上的載荷為臨時載荷，安全系數(shù)取2，則該參數(shù)下的地板強度剛好滿足在第二工況下的強度要求：537.31 MPa/2≥128 MPa。

圖19 地板截面參數(shù)

(2)鐵道貨運棚車復(fù)合材料地板與支撐梁之間采用螺栓連接。螺栓連接雖具有結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、裝拆方便等優(yōu)點，但螺栓孔切斷了連續(xù)纖維，削弱了地板的受力面，會引起應(yīng)力集中，因此，用ANSYS軟件對開孔地板進行受力分析，位于螺栓孔邊緣的最大彎曲應(yīng)力為1.25 MPa，遠小于地板材料的實測彎曲強度，從而得知開孔導(dǎo)致的應(yīng)力集中不會對地板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大破壞。然而，為減少安全隱患，仍建議采用定制的空心鉚釘，對開孔處補強。

采用空心鉚釘對地板開孔處進行補強是一種創(chuàng)新設(shè)計，它不僅避免了開孔位置的應(yīng)力集中，更重要的是地板是中空的拉擠型材，在地板表面鉆孔，很可能會對地板中起主要承載作用的類“工”字型梁結(jié)構(gòu)造成破壞，造成整塊地板的剛度下降，而采用空心鉚釘鑲嵌在開孔處，能提升地板整體剛度，彌補開孔引起的地板剛度損失。

[1] 王俊杰，傅培峰，王玉華．改進棚車結(jié)構(gòu)促進木材節(jié)約代用[J]．鐵道車輛，1993(9)：23-27.

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[5] 王耀先．復(fù)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社材料科學(xué)與工程出版中心，2001：56-62.

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[7] TB/T 1335-1996．鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范[S]．1997.

[8] GB/T 5277-1985．緊固件 螺栓和螺釘通孔[S]．1985.

[9] GB876-86．空心鉚釘標(biāo)準(zhǔn)[S]．1986.

[10] GB/T152.1-1988．緊固件-鉚釘用通孔標(biāo)準(zhǔn)[S]．1988.

The Structure Design and Finite Element Analysis of Railway Freight Boxcars Composite Floor

WANG Hui1,2，ZENG Liming1

(1.Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070) (2.South China University of Technology, Guangzhou, 510641)

freight boxcars；composite floor；anti-slip design；hollow structure；structure design；ANSYS

2015-05-19)

王薈(1991-)，女，湖北人，碩士研究生。研究方向：聚合物基復(fù)合材料。 E-mail：15527012010@163.com.

曾黎明(1952-)，男，湖北人，教授。研究方向：功能復(fù)合材料。電話：13871436020， E-mail：lmzeng@whut.edu.cn.