劉斌

摘要：目前，重載機車車體牽引梁與中梁過渡區(qū)域的焊接接頭，存在著理論分析不一致于試驗結果的現(xiàn)象。為解決此類問題，本文圍繞重載電力機車車體車體牽引梁與中梁過渡區(qū)域典型焊接接頭，采取兩種離散模擬方式，分別為殼單元和實體單元，通過模擬試驗并與理論對比分析。實驗目的為分析兩種離散模擬對典型焊接接頭應力分布的影響。試驗結果表明實體單元模擬典型焊接接頭區(qū)域具備較高的計算精度，而模擬典型焊接接頭應力分布方面相較于殼單元，可呈現(xiàn)良好的應力集中效應。

關鍵詞：機車車體;典型焊接接頭;單元類型;應力分析;有限元法

引言

機車車體作為列車的主體機構，主要作用在于為機車整體傳遞縱向牽引力以及制動力。車體的壽命與縱向承載力有著密切的關聯(lián)，目前，重載電力機車車體結構中焊接結構的強度備受重視，因此采用有限元仿真模擬的形式，比較殼單元與實體單元對典型焊接接頭結構有限元分析結果的影響，優(yōu)化典型焊接接頭結構，為車體車體結構的靜強度保駕護航。

一、結構強度分析原理

（一）焊縫接頭有限元模型處理

本文焊縫建模采用實體模型以及殼FE模型，兩種模型的區(qū)別在于：首先，實體模型焊縫需要做建模處理，焊縫分為3層網(wǎng)格，呈現(xiàn)45坡角以及0焊趾過渡半徑外觀分布在薄板上;其次，殼模型焊縫在一般情況下不做建模處理[1]。

（二）確定載荷工況

重載機車車體縱向力決定車體結構的樣式以及車體內(nèi)部零部件的質量。承重量超過萬噸的機車，車體所需的縱向壓縮以及拉伸載荷須達到3600kN以及3000kN。本文所設計的車體結構，包含內(nèi)部設備在內(nèi)，總重量為75600kg。

（三）評定車體靜強度

機車車體的制作材質為6-16mm厚度的鋼板，其中車體靜強度在滿足縱向拉伸和壓縮載荷工況的載荷作用下，許用應力應大于最大等效應力，母材以及焊縫處的安全系數(shù)需在1.0以及1.1以上。當鋼板的厚度處于6～16mm區(qū)間時，母材以及焊縫許用應力為315MPa、286MPa;厚度超過16mm，兩者許應力分別為295MPa以及268MPa。

二、車體有限元模型的建立與仿真

（一）殼單元模型

選用ANSYS有限元軟件，對整個車體進行殼單元有限元分析。車體結構有限元模型包含車體主構造、安裝座、車內(nèi)設備以及懸掛系統(tǒng)。其中殼單元離散應用于車體底架、牽引梁與中梁過渡區(qū)域、司機室等在內(nèi)的主體構造;實體單元離散減振器等安裝座;設備質量以及懸掛系統(tǒng)離散采用三維質量單元、三維彈簧單元。

（二）實體單元模型

實體單元建模一方面需要針對焊縫進行建模，3層厚度，規(guī)格為5mm每單元，另一方面牽引梁向中梁過渡范圍內(nèi)所表現(xiàn)出的應力分布，需重點關注。

三、殼單元與實體單元理論分析與試驗結果對比

（一）理論結果

殼單元和實體單元理論結果差異性明顯，后者要高于前者。試驗在牽引梁與中梁過渡區(qū)域焊趾處選擇a、b兩個測試點，其中，殼單元在縱向壓縮和拉伸載荷工況中，兩個測試點的最大等效應力達到183.31MPa和184.77MPa，而焊縫許用應力為268MPa，最大等效應力小于許用應力。

實體單元a、b兩個測試點壓縮載荷以及拉伸載荷分別選擇3600kN以及3000kN，測試點a縱向縮載荷以及拉伸載荷平均值為290.859MPa以及248.698MPa;測試點b縱向壓縮載荷以及拉伸載荷平均值303.238MPa以及248.635MPa?？v向拉伸以及壓縮載荷工況下的焊縫處的許用應力為268MPa。因此最大等效應力大于許應力，車體結構的靜強度偏離標準。

（二）試驗結果

為了滿足汽車線路的運行要求，車體結構在縱向壓縮和拉伸載荷工況下，進行縱向壓縮和拉伸試驗，目的是為了測試縱向壓縮和拉伸縱向力是否能夠滿足車體結構的靜強度。實驗并不是一次就可完成的，預壓縮載荷縱向以及預拉縱向力分別從最初的2800kN以及2500kNn，在多次實驗下逐步遞增，預壓縮載荷縱向力最高可達3600kN;而預拉伸縱向力最高可達3000kN。其中a、b兩個測試點在中向壓縮載荷工況下所測得268MPa等效應力值，整體的車體結構增強度處于不標準范圍，還需做進一步的優(yōu)化[2]。

（三）試驗結果與理論結果對比分析

牽引梁和中梁過渡區(qū)域圍繞殼單元和實體單元，所產(chǎn)生的實驗和有限元模擬分析結果，在經(jīng)過對比之后可以發(fā)現(xiàn)圍繞a、b兩個不同區(qū)域所獲得的等效應力值有些許的差別。例如實體單元兩區(qū)域的等效應力值接近于實驗值，而殼單元實驗值要大于等效應力值。因此為保證在進行高應力集中效應區(qū)域焊接時，能夠獲得較為準確的應力分析，可借助實體單元做網(wǎng)格劃分，以確保所獲得的應力分級結果精確且真實。

四、牽引梁與中梁過渡區(qū)局部結構優(yōu)化

目前機車車體牽引梁與中梁過渡區(qū)焊接接頭應力水平，超出標準的原因有兩方面：一是該區(qū)域內(nèi)車體的結構無法達到高質量的高度要求，剛度失衡破壞應力水平之間的平衡狀態(tài);第二大原因車體的縱向中心線、縱向力的作用線交叉或平行，兩條線始終無法無法出現(xiàn)在同一直線上。為達到優(yōu)化過渡區(qū)域應力分布的目的，可采取措施對過渡區(qū)域的剛度做有效改善。

例如，選擇兩塊厚度為20毫米的縱向筋板安裝在中梁內(nèi)部對稱區(qū)域，改善車體結構。并經(jīng)過實驗測得縱向壓縮以及拉伸工況下最大等效應力以及安全系數(shù)，與焊縫268MPa的許用應力以及1.1的安全系數(shù)相比，最大等效應力小于許用應力，安全系數(shù)超出1.1，因此車體結構的靜強度已處于合格狀態(tài)。

五、結論

綜上所述，重載電力機車車體的焊接接頭區(qū)域，在縱向壓縮和拉伸載荷工況下呈現(xiàn)出不同的應力分布，通過建立殼單元以及實體單元有限元模型，優(yōu)化焊接接頭區(qū)域結構。通過理論和實驗的對比，可以發(fā)現(xiàn)實體單元具有較為精準的仿真模擬結果，同時通過網(wǎng)格劃分可以有效集中用力，加強焊接接頭區(qū)域剛度強度，促使車體的工作應力水平維持在標準狀態(tài)。

參考文獻

[1]金希紅，袁文輝.重載電力機車車體結構設計及優(yōu)化分析[J].電力機車與城軌車輛，2012.35（5）.

[2]唐斌.張大濤.地鐵信號的列車防護解除及應用[J].機車電傳動，2015（1）：?62-64.