楊會會 廖平 董靜

摘要：針對某型軌檢車車下個別柴油發(fā)電機(jī)組特殊油箱吊座模塊在仿真計算的過程中出現(xiàn)局部靜態(tài)應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力問題，從結(jié)構(gòu)和材料兩個方面對該吊座提出了3種優(yōu)化方案，通過CAE靜強(qiáng)度仿真計算并結(jié)合屈服安全系數(shù)判定方法，得出優(yōu)化方案3的屈服安全系數(shù)為1.586，其值大于1.15，其結(jié)構(gòu)更加合理，為以后類似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的參考。

Abstract： In order to solve the problem that the local static stress exceeds the allowable stress of the material in the process of simulation calculation of some special oil tank hanging seat module under a certain type of rail inspection vehicle， three optimization schemes are proposed from the structure and material aspects. Through the CAE static strength simulation calculation and combined with the yield safety factor determination method， the yield safety factor of optimization scheme 3 is 1.586， which is greater than 1.15， and its structure is more reasonable， which provides a certain reference for the future optimization design of similar structures.

關(guān)鍵詞：軌檢車;油箱吊座模塊;屈服安全系數(shù);優(yōu)化

Key words： rail inspection vehicle;oil tank hanger module;yield safety factor;optimization

中圖分類號：U273.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0023-03

0? 引言

隨著軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，軌道也隨之被廣泛應(yīng)用，因此軌道幾何狀態(tài)的檢測也變得尤為重要[1]。中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司設(shè)計的某型軌道檢查車可實現(xiàn)最高檢測速度160km/h運行條件下對軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行雙向檢測，這款車車下個別特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)在CAE仿真計算的時候出現(xiàn)局部靜態(tài)應(yīng)力超差的現(xiàn)象，存在安全隱患，針對此問題，本文對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并結(jié)合CAE仿真計算，得出了此優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性，為以后類似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了思路和方法。

1? 油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)描述

圖1給出了某型軌檢車車下柴油發(fā)電機(jī)組油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)，由一塊折彎的立板和兩塊筋板組焊而成。受該型軌檢車車下設(shè)備布局空間的限制，此車型車下部分油箱吊座模塊的個別筋板和車下制動吊座模塊出現(xiàn)干涉情況，圖2給出了三維干涉狀態(tài)，因此需在油箱吊座模塊干涉的個別筋板上切除部分結(jié)構(gòu)以滿足與制動吊座模塊的安裝配合，圖3給出了需要切除部分結(jié)構(gòu)的特殊油箱吊座模塊的結(jié)構(gòu)圖。

2? 靜強(qiáng)度理論及驗收規(guī)范

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，計算復(fù)雜應(yīng)力結(jié)構(gòu)時，采用當(dāng)量計算應(yīng)力進(jìn)行求解校核[2]，其計算公式為：

（1）

式中：？滓e——當(dāng)量應(yīng)力，MPa;

？滓i——主應(yīng)力（i=1，2，3），MPa。

在判定結(jié)構(gòu)是否滿足靜強(qiáng)度要求時，可引入屈服安全系數(shù)其計算公式如下[3]：

（2）

式中：R——材料屈服點（Rel）或0.2%的實用彈限應(yīng)力（Rp02），單位：N/mm2;

？滓c——計算應(yīng)力，單位：N/mm2。

其中在僅利用計算驗證設(shè)計時S1應(yīng)取1.15，故當(dāng)所計算的屈服安全系數(shù)S不小于1.15時，該結(jié)構(gòu)才能滿足靜強(qiáng)度要求。

3? 特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)分析

針對需要切除部分結(jié)構(gòu)的個別特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合CAE仿真對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析計算，表1給出了該油箱吊座模塊的結(jié)構(gòu)屬性。在本文中所有涉及坐標(biāo)系的方向規(guī)定如下：

X向：對應(yīng)于車輛車體縱軸，正方向為運動方向;

Z向：對應(yīng)于車輛車體豎向軸，正方向指向上方;

Y向：對應(yīng)于車輛車體橫軸，為水平平面，構(gòu)成了右手坐標(biāo)系。

表2給出了CAE仿真時的強(qiáng)度計算工況，其中縱向沖擊工況可根據(jù)屈服強(qiáng)度進(jìn)行校核，因此可根據(jù)式（2）中的屈服安全系數(shù)是否不小于1.15來判斷結(jié)構(gòu)的合理性。

圖4給出了特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)的在縱向沖擊工況下的應(yīng)力云圖，由圖可知該結(jié)構(gòu)在此工況下最大靜應(yīng)力達(dá)到了331.43MPa，由式（2）可得其屈服安全系數(shù)為0.709，其值小于1.15，故此特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)并不滿足屈服強(qiáng)度要求，存在一定的安全隱患。

4? 特殊油箱吊座模塊優(yōu)化分析

針對以上特殊油箱吊座模塊結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度不滿足要求的情況，本文從結(jié)構(gòu)和材料兩個方面提出3種優(yōu)化方案，表3給出了此3種優(yōu)化方案內(nèi)容。針對優(yōu)化方案1對該結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的筋板缺口處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，將該筋板缺口處的一些結(jié)構(gòu)尖點進(jìn)行平滑過渡處理，圖5給出了該特殊油箱吊座模塊優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)。針對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)按縱向沖擊工況再對其進(jìn)行仿真計算。

圖6給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力云圖，由圖可知該結(jié)構(gòu)在此工況下最大靜應(yīng)力為223.87MPa，與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前相比應(yīng)力下降較大，故可得從結(jié)構(gòu)方向進(jìn)行該結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的，表4給出了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的計算結(jié)果，圖7給出了幾種方案的屈服安全系數(shù)曲線。但由表4和圖7可知針對優(yōu)化方案1其屈服安全系數(shù)為1.050，其值仍小于1.15，故在此情況下的結(jié)構(gòu)仍存在安全隱患問題?，F(xiàn)針對優(yōu)化方案2僅從材料優(yōu)化的角度考慮，僅將Q235B材料改為Q355NE的材料，由表4和圖7可知其屈服安全系數(shù)為1.071，其值仍小于1.15，故在此情況下的結(jié)構(gòu)仍存在安全隱患問題。因此針對優(yōu)化方案3同時對結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化，由表4可知其屈服安全系數(shù)為1.586，其值大于1.15，其結(jié)構(gòu)滿足屈服強(qiáng)度使用要求，同時由圖7得出屈服安全系數(shù)S隨幾種優(yōu)化方案的改進(jìn)而逐漸增大，尤其在優(yōu)化方案3時屈服安全系數(shù)S達(dá)到最大且超過了S1的1.15，故優(yōu)化方案3中同時對結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化是比較合理的。

5? 結(jié)論

①針對特殊油箱吊座模塊的特殊結(jié)構(gòu)問題，本文從結(jié)構(gòu)和材料兩個方面對該吊座提出了3種優(yōu)化方案，并結(jié)合CAE靜強(qiáng)度仿真計算和屈服安全系數(shù)判斷方法，得出優(yōu)化方案3的屈服安全系數(shù)為1.586，其值大于1.15，證明其結(jié)構(gòu)更加合理。

②針對結(jié)構(gòu)問題的優(yōu)化，本文提出的從結(jié)構(gòu)優(yōu)化到材料優(yōu)化最后再到結(jié)構(gòu)和材料同時優(yōu)化的優(yōu)化思路是可行的，為以后類似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的參考。

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