（载运工具运用工程专业论文）轴重40t矿石敞车车体结构非线性分析.pdf

摘要 重载运输技术已被国际公认是铁路货运发展的方向，车体轻量化设 计成为重载列车的一个关键问题。随着铁道车辆车体越来越轻量化，车 体的结构稳定性及非线性问题将在静强度计算时越来越被关注。 论文分析的轴重4 0 t 矿石专用敞车车体为箱型薄壁结构，按美国 a a r 标准设计计算。a a r 标准规定重载压缩工况的压缩力为4 4 5 0 k n ， 比我国t b t1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范第二工况 规定的压缩力2 2 5 0 k n 大了将近整整一倍，因此对该车体进行稳定性分 析是必要的。稳定性分析又可分为线性稳定性分析和非线性稳定性分 析，前者只能用于有限的实际情况。因为忽略了屈曲前变形的影响，常 常导致过高估计了结构的临界载荷。因此，对于大多数实际结构采用非 线性稳定性分析是必要的。 本文对车体结构在重载压缩工况下采用了特征值线性屈曲和非线 性屈曲分析的方法对其进行稳定性分析，稳定性分析结果表明，在到达 a a r 标准规定的4 4 5 0 k n 压缩载荷之前，车体就出现了屈曲变形，稳定 性不能满足要求，车体结构需要优化。论文对优化后的车体重新进行了 线性和非线性稳定性分析，计算结果表明优化后的车体满足稳定性要 求。接下来论文对优化后的车体在冲击工况下进行了材料非线性分析， 分析结果满足a a r 标准。 关键词：敝车，几何非线性，材料非线性，屈曲分析，稳定性 a bs t r a c t t h ef a c tt h a tt h eh e a v yl o a dt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g yi st h ed i r e c t i o n o fr a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o nd e v e l o p m e n th a sb e e nr e c o g n i z e da l lo v e r t h ew o r l d ，a n dl i g h t w e i g h td e s i g no fc a rb o d yh a sb e e na k e yp r o b l e mf o r h e a v yf r e i g h tt r a i n s a sc a r - b o d yo fr a i l w a yv e h i c l e sb e c o m e sm o r ea n d m o r el i g h t w e i g h t e d , s t r u c t u r a ls t a b i l i t ya n dn o n - l i n e a rp r o b l e mw i l lb ep a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ow h e nc a l c u l a t i n gs t a t i cs t r e n g t h t h ec a rb o d yo ft h ea x l el o a d4 0 tg o n d o l af o ro r ea n a l y z e di nt h e p r e s e n tp a p e ri so fm i l l - w a l l e ds t r u c t u r e t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no ft h e c a rb o d ya r eo fa m e r i c a na a rs t a n d a r d t h ec o m p r e s s i v ef o r c ei nt h eh e a v y l o a dc o m p r e s s i o nc a s er e q u i r e db ya a rs t a n d a r di s4 4 5 0 k n ，w h i c hi sa b o u t 2t i m e sa sm u c ha s2 2 5 0 k n p r e s c r i b e db y t b t1 3 3 5 1 9 9 6 ( s t r e n g t hd e s i g n a n de x p e r i m e n t a la p p r a i s a ls t a n d a r df o rr a i l w a yv e h i c l e s ) ) i no u rc o u n t r y , t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h ec a rb o d y s t a b i l i t y a n a l y s i sc a nb ed i v i d e di n t ol i n e a rs t a b i l i t ya n a l y s i sa n dn o n l i n e a rs t a b i l i t y a n a l y s i s ，w i t ht h ef o r m e ro n l ya p p l i e di nl i m i t e ds i t u a t i o n s b e c a u s et h e d e f o r m a t i o ne f f e c t sb e f o r e b u c k l i n g a r e o f t e no v e r l o o k e d , t h e o v e r - e s t i m a t i o no ft h ec r i t i c a ll o a do ft h es t r u c t u r eo f t e nh a p p e n s t h e r e f o r e ， i ti s n e c e s s a r yt oa n a l y z em o s to ft h ep r a c t i c a ls t r u c t u r e sw i t hn o n l i n e a r s t a b i l i t ym e a n s t l l i sp a p e ra n a l y z e dt h es t a b i l i t yo ft h ec a r b o d ys t r u c t u r eb ye i g e n v a l u e l i n e a ra n dn o n l i n e a rb u c k l i n ga n a l y s i si nt h eh e a v yl o a dc o m p r e s s i o nc a s e ， a n dt h er e s u l to ft h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tb e f o r er e a c h i n gt h ec o m p r e s s i o n l o a d4 4 5 0 k n r e q u i r e db yt h ea a rs t a n d a r d ，t h ec a rb o d ys h o w e db u c k l i n g ， a n dt h es t a b i l i t yc o u l dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，t h e r e f o r et h ec a rb o d y s t r u c t u r em u s tb eo p t i m i z e d t b j sp a p e rt h e na n a l y z e dt h es t a b i l i t yo ft h e o p t i m i z e dc a rb o d yb yl i n e a ra n dn o n l i n e a rm e a n sa g a i n a n dt h er e s u l to f t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eo p t i m i z e dc a rb o d yc o u l dm e e tt h es t a b i l i t y r e q u i r e m e n t s t h e n , t h i sp a p e ra n a l y z e dm a t e r i a ln o n l i n e a r i t y o ft h e o p t i m i z e dc a rb o d yi nt h ei m p a c tl o a dc a s e ，a n dt h er e s u l to ft h ea n a l y s i s c o u l da l s om e e tt h ea a rs t a n d a r d k e yw o r d s ： g o n d o l a , g e o m e t r i cn o n l i n e a r i t y ，m a t e r i a ln o n l i n e a r i t y ， b u c k l i n ga n a l y s i s ，s t a b i l i t y i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证 书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 作者签名：羹扫壶 日期：皇啐年生月二蔓日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论 文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定 送交学位论文。 蠡：型年旦月兰日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 重载铁路是世界铁路发展的一大趋势，行车安全可靠是重载货物列车的一个关 键因素。中国南车集团株洲车辆厂为澳大利亚金属集团有限公司( f o r t e s c u e m e t a l sg r o u pl i m i t e d ，简称f m g ) 设计制造的轴重4 0 t 矿石专用敞车是世界上 迄今为止轴重最重的矿山车辆，该敞车车体所用材质( 型材与板材) 主要为q 4 5 0 n q r l 低合金碳素耐腐蚀结构钢，地板厚度为5 m m 板材，侧墙与端墙均采用4 m m 板材，整个 车体近似一个敞开的箱型薄壁结构。该敞车最大编组数为2 4 0 辆，列车最大总牵引吨 位为3 8 4 0 0 t ，列车采用前拉后推牵引【l 】。由于该敞车用于典型的重载运输，此敞车 设计采用了适合重载货车的a a r 标准，其中静强度计算采用a a rm 1 0 0 1 - 1 9 9 4 货 车设计制造规范。a a rm 1 0 0 1 1 9 9 4 货车设计制造规范中规定重载压缩工况作 用在后从板座的压缩力为4 4 5 0 k n t 2 1 ，比我国t b t1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及 试验鉴定规范第- - i 况规定的压缩力2 2 5 0 k n 习大了将近整整一倍。如此大的压缩 力作用在两端的后从板上，加之车体的箱型薄壁结构，整个车体可能会因纵向刚度 不足突然失稳。因此车体静强度计算必须包含对车体结构进行稳定性分析，因为一 旦车体出现结构性失稳，整个车体随之报废，而且还会引起最严重的行车安全事故。 对车体进行非线性分析是本次车体静强度分析的重点。我国以前的铁路货车基 本上都是载重量轻，自重大，不会出现因纵向刚度不足而引发的稳定性问题，从运 行的情况来看，没有出现因车体结构的不稳定性而引发的行车安全事故，车体稳定 性问题是一个弱问题，往往被忽视。因此我国的铁路货车在静强度计算中基本上都 没有考虑非线性问题。 随着我国铁路重载技术的日益发展，铁道车辆越来越轻量化，铁道车辆的结构 稳定性问题将会突现出来，设计安全、可靠的铁道车辆成为铁路运输行车安全的关 键。从结构本身的安全角度出发，对铁道车辆结构进行稳定性分析，充分考虑几何 非线性和材料非线性将成为强度分析的重要内容。通过本文的分析，希望能为铁路 工程技术人员和铁路工作者们在强度分析方面提供一些有用的借鉴和帮助。 1 2 国内外重载铁路发展概况 一般火车单列运输量约为2 0 0 0 - - - 3 0 0 0 t ，而重载火车单列运输量至少在5 0 0 0 t 以 硕士学位论文第一章绪论 上。当前国际重载运输列车牵引质量普遍在2 万t 左右【4 1 。美国、加拿大等重载单元 列车牵引质量普遍由1 5 万t 向1 8 万t 发展，并且有向更重方向发展趋势。南非、澳 大利亚的重载单元列车牵引质量已超过2 万t 。澳大利亚b h p 重载铁路已进行重载8 2 万t 铁矿石的重载单元列车试验。重载铁路是指行驶列车总重大、轴重大或行车密度 和运量特大的铁路，主要用于输送大宗原材料货物，2 0 世纪2 0 年代在美国首次出现。 当时美国东部的煤矿与铁路合作组成总重约l 万吨的单元列车，将整列车煤炭直接送 往发电厂或港口，中途不经过任何编组作业，堪称高效。1 9 8 4 年在美国华盛顿成立 了非官方组织国际重载铁路会议( 简称i h h r ) ，并由美国、中国、澳大利亚、加拿 大和南非的铁路部门的技术专家组成国际重载铁路顾问委员会。重载铁路是一种效 率甚高的运输方式，已引起各国铁路部门的重视。目前大致有两种模式【5 1 ：一种是以 北美为代表的重载单元列车。这种模式的主要特点是在大宗货物运量集中的线上从 装车地到卸车地之间开行固定编组、品种单一、列车牵引重量在6 0 0 0 t - - 一2 0 0 0 0 t 的列 车。其优点是运输成本低，获取利润高，设备费节省2 3 ，运营费节省1 2 。另一种 是以前苏联为代表的超重超长组合列车，这种模式的主要特点，是在运输繁忙的运 输干线上解决列车数量多、密度大与运力不足的矛盾，以较小的代价增大运输能力， 缓和运能紧张状况。 2 0 世纪7 0 年代末期，欧洲开始发展交流传动技术，至9 0 年代，大功率交流传动 内燃、电力机车成为世界铁路重载牵引动力的发展趋势【6 】。目前，美国铁路拥有4 0 0 0 多台重载交流传动内燃机车，g m e m d 公司生产了s d 7 0 a c e 型、s d 9 0 m a c 型、g t 4 6 m a c 型、d e 3 0 a c d m 3 0 a c 型等交流传动内燃机车，g e 公司生产了e s 4 4 a c 型、a c 6 0 0 0 c w 型、 a c 4 4 0 0 c w 型等交流传动内燃机车，已在美国、加拿大、澳大利亚、巴西等国家的重 载铁路批量投入运营。g e 公司制造的a c 6 0 0 0 型机车主发电机输出功率达4 4 1 k w ，持续 牵引力达7 3 8 k n ，起动牵引力达8 0 0 k n ，黏着系数利用值可达0 3 7 以上。德国西门子 公司为欧洲制造的b r l 8 6 型及b r l 8 9 型重载交流传动电力机车的轴功率达1 4 0 0 k w ，已 在欧洲批量投人运营。最近为满足中国铁路重载运输牵引动力需求，设计了d j 4 型交 流传动电力机车，其轴功率达1 6 0 0 k w 。 据有关资料【7 】介绍，美国、澳大利亚、巴西、瑞典等国家推行重载运输，1 9 9 7 年开始，瑞典北部的挪威一瑞典单线矿山铁路1 9 9 7 年开行的列车轴重，由原来2 5 t 轴 重提高到3 0 t 。俄罗斯重载列车轴重提高至u 2 7 t ，而欧洲铁路重载列车在 甸2 5 t 轴重发 展。美国所有一级铁路的标准轴重1 9 9 0 年以后已是3 3 t 。加拿大一级铁路的标准轴重 已于1 9 9 5 年改为3 3 t 。澳大利亚b h p 重载铁路的轴重已经提高到3 5 t 。目前，美国、加 拿大、澳大利亚的重载列车普遍采用3 5 4 t 轴重【6 】，2 0 世纪7 0 年代，在南非等国家推 2 硕士学位论文第一章绪论 行重载运输，赛申一萨尔达尼亚铁矿货车轴重限制在2 6 t 内。从2 0 0 0 年开始逐渐增加 轴重为3 0 t 货车使用。目前，美国正在普韦布洛f a s t 环线上进行3 9 t 轴重的重载列车 安全性运行试验【6 】，累计通过运量已达1 2 5 亿t 。 重载发展的另一方向就是降低车辆自重，降低车辆自重可以增加载重，同时节 约能源，提高效益。美国重载货车中9 0 采用了铝合金车体【6 】，其成本仅比钢车体 增加1 3 ，但使用寿命大大延长，而且提高了载重量，取得了很好的经济效益。我国 的铁路货车大部分都是采用钢车体。 我国重载运输起步于8 0 年代初，当初为缓解繁忙干线运输能力紧张状况，以开 行组合列车为主【8 1 。最近1 0 年来，我国重载技术得到了迅速发展，重载运输已初具 规模，整列式重载列车在繁忙干线普遍开行，单元式重载列车和组合式重载列车主 要在大秦线开行。为了适应重载运输需要，我国铁路正在不断提高车辆载重，目前 载重6 0 t 及以上的车辆约4 5 万辆，占车辆总数的8 5 7 ，其中轴重2 3 t 载重7 0 t 的车辆 已达n 2 万多辆，轴重2 5 t 载重8 0 t 的车辆已有8 4 0 0 多辆。根据铁道部制定的铁路车 辆“十一五”工作目标， 2 8 吨、3 0 吨等轴重技术研究已经起步。 1 3 结构稳定性及其非线性问题国内外研究概况 稳定性问题是结构力学领域中一个最古老的问题。早在1 8 世纪，欧拉就发表了 关于柱子稳定的研究，提出了基于小挠度理论的欧拉临界载荷，而后拉格朗日又详 细的研究了柱子屈曲的大变形理论。而对结构稳定性作更深入的研究则是上世纪四 十年代，对于薄壳后屈曲性能的研究开始于佟聂耳( 1 9 3 4 年) 9 1 ，1 9 3 9 年，k a r m e n 和 t s i e n 首先采用了非线性大挠度方程讨论了受均压球壳的轴对称失稳问题【1 0 1 ，他们 又进一步讨论了柱壳的非线性稳定理论 h a 2 】，并在求解卡门一佟聂耳大挠度方程的 基础上提出了后屈曲分析的一般方法。他们首先指出了载荷一位移( 挠度) 的非线性 关系在薄壳稳定性理论中的重要性，说明了在远低于临界压力的情况下存在一种后 屈曲的大挠度平衡位移，由此提出了非线性“跳跃”理论【1 3 1 。卡门一钱学森的开创 性工作对于结构的稳定性理论的发展具有十分重要的意义，在很长一段时间内被许 多研究工作者所追随。直n 1 9 6 6 年h o f f 等人的工作发表后【1 4 】，人们才注意卡门一钱 学森的方法存在一定的矛盾和局限性。一个很重要的原因就是他们没有考虑到结构 的初始缺陷问题，因而对于解释理论和试验失稳压力之间的分歧仍不够充分。上世 纪6 0 年代以后s t e i n 等人完全从另一条途径详细研究了“非线性壳体的前屈曲性能 ( 包括屈曲前的变形，压力) 及其对于屈曲方程和临界压力的影响【1 5 1 。s t e i n 称之为 “非线性前屈曲一致理论”。 3 硕士学位论文 第一章绪论 上世纪七十年代至八十年代，结构稳定性数值分析的发展是与计算机技术的飞 速发展紧密联系在一起的。在近代结构稳定性理论中，不论采用何种数值计算方法， 都要遇到两个棘手的问题，其一是如何建立和描述具有大挠度( 有限位移，有限转动) 的几何非线性、物理非线性、初始缺陷( 几何缺陷，载荷缺陷) 以及与结构稳定形态 的各种因素相连的理论描述问题；二是如何求解描述整个壳体结构失稳形态的非线 性代数方程组，前者是一个数学模型问题，后者则是一个计算方法的问题【1 3 】。为此， 近二十年来，不少科技工作者致力于这两方面的研究。七十年代初期，c o h e n 和 b u s h n e l l 用s t e i n 理论解决了一般加肋旋转壳的稳定问题，并相应开发了计算软件 “s r h ”。“b o s r 4 1 3 】。一些学者在考虑几何非线性的同时，进一步研究物理非 线性的影响。 八十年代中后期至九十年代以后，国际上对结构稳定性方面的研究继续进行着。 从事这方面研究发达的地区集中在欧美国家( 包括俄罗斯) ，其中还有华人学者在欧 美国家的研究成果。他们的着眼点与国内不同。他们主要研究几何非线性、物理非 线性、复合材料、有限元技术的改进、计算机软件的开发等。所涉及的领域是交叉 性和边缘学科。在国内，钱学森和钱伟长两位大师在这方面做了很多开创性的工作。 胡海昌和叶开元在大挠度、非线性和变分原理上作了大量的研究，并取得了很大的 成果。国内的专家学者于八十年代前期开始编著有关结构稳定性的著作。如陈铁云， 陈伯真编著的薄壳理论；黄克智【1 6 】编著的板壳理论；周承惆编著的薄壳 弹性稳定性理论：吴连元【1 7 l 编著的板壳理论等；国内的清华大学、大连理工 大学、上海交通大学、东北大学均在这些方面做了大量的研究工作。 稳定性分析理论应用于铁道车辆很早就开始了，我国以前新设计的铁道车辆在 进行静强度计算时都要进行稳定性分析，也确实存在过车体侧墙变形过大，车体失 稳等等一些问题，后经过设计改进，这一类问题基本上不存在了。近些年铁道车辆 的静强度计算基本上不需要进行结构稳定性分析就能满足使用要求。稳定性分析在 铁道车辆上的应用并没有因此而终止。大连铁道学院的丁彦闯【1 8 】在2 0 0 2 年基于稳定 性理论对货车转向架的关键部件交叉杆和制动拉杆进行了线性稳定性分析，发现制 动拉杆中段截面的最小惯性矩偏低，临界载荷因子( 稳定裕度) = 1 5 8 ，在松动的情 况下易在该面上发生失稳，所以应修改其截面尺寸，提高最小截面惯性矩，增加稳 定裕度。哈尔滨工程大学的马玉梅【1 9 】在2 0 0 3 年用特征值法对某大型落下孔车车体进 行了结构稳定性分析。株洲电力机车有限公司在企业内部的城轨铝合金车体有限元 计算规范中明确规定对所有对车体结构具有挤压效应的静强度计算工况进行屈曲计 算【2 0 】，以保证任何工况下车体结构不会产生失稳。澳大利亚著名的有限元咨询公司 4 硕士学位论文第一章绪论 w o r l e yp a r s o n s 公司非常重视铁道车辆的稳定性分析，该公司对铁道车辆进行静强 度计算时都进行线性和非线性稳定性分析。 1 4 本论文的主要研究工作 本文针对轴重4 0 t 矿石敝车车体的结构非线性及稳定性问题开展了较为系统深 入的理论分析和研究，主要研究工作简要概括以下： ( 1 ) 、对轴重4 0 t 矿石敞车车体的结构进行了简单介绍，并与国产敞车车体的结构 进行了对比，论述了进行稳定性分析的必要性。 ( 2 ) 、基于a n s y s 软件，研究了轴重4 0 t 矿石敞车车体在重载压缩工况下的线性稳定 性特性。 ( 3 ) 、基于a n s y s 软件，研究了轴重4 0 t 矿石敞车车体在重载压缩工况下的非线性稳 定性特性，比较了非线性分析下结构的临界失稳载荷与线性屈曲分析下的临界失稳 载荷。较为系统讨论了建立于非线性连续介质力学基础上的非线性有限元分析的基 本理论和方法。 ( 4 ) 、基于非线性屈曲分析结果对轴重4 0 t 矿石敞车车体进行优化设计并对优化后 的车体重新进行了线性屈曲分析和非线性屈曲分析。分析结果表明：优化后的车体 稳定性能满足a a r 标准。 ( 5 ) 、冲击工况下考虑材料非线性对轴重4 0 t 矿石敝车车体进行非线性分析。从应 力值水平，大应力点的应力一应变曲线，大变形点的载荷一位移曲线三个方面对车 体进行考核。 5 硕士学位论文第二章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 第二章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 敞车是一种具有端、侧壁而无车顶的车辆，主要供运送煤炭、矿石、矿建物资、 木材、钢材等大宗货物，也可用来运送重量不大的机械设备。若在所装运的货物上 面蒙盖防水帆布或其他遮蓬物之后，可代替棚车承运怕受雨淋的货物。因此敞车具 有很大的通用性，在货车组成中数量最多【2 1 1 。敞车按卸货方式不同可分为两类：一 类是适用于人工或机械装卸作业的通用敞车；另一类是只适用于大型工矿企业、站 场、码头之间成列固定编组运输，用翻车机卸货的专用敞车。本文设计的敞车是翻 车机专用敞车。 2 1轴重4 0 t 矿石敞车车体设计综述 2 1 1 轴重柏t 矿石敞车车体结构简介 本文讨论的矿石敞车由两辆矿石敞车( 主车和辅车) 通过牵引杆联挂固定编组， 两辆矿石敝车结构完全相同，主要由车体、转向架、风手制动、联挂装置四部份组 成。设计标准采用美国a a r 标准。根据前期的总体方案设计，敞车自重不大于2 3 t ， 其中车体自重不大于8 6 t 。有效容积( 到上侧梁上平面) 为6 9 m 3 。车辆最大宽度为 3 3 0 0 m m ，车辆最大高度为3 4 0 0 m m ，车辆定距为7 2 3 0 m m ，单元车组长度为2 2 3 0 0 m m 。 为了提高车体结构强度，降低车体自重，该敞车车体主要采用q 4 5 0 n q r l 低合 金碳素耐腐蚀结构钢。这种材料的屈服强度为4 5 0 m e a ，抗拉强度为5 5 0 m p a 。为了充 分利用车辆限界，增加敞车有效容积，该敞车侧墙立柱设计成内置、端墙立柱设计 成外置的型式。由于敞车车体为整体承载结构，侧墙能承担载荷，故车体中梁无须 制成鱼腹形。为了充分降低车体自重，设计中取消了以往敝车的下侧梁。方案设计 后的车体主要由底架、侧墙、端墙等组成( 见图2 1 ) 。底架由中梁、枕梁、4 根工 字型变截面横梁、1 根箱型变截面大横梁、地板、两根u 型纵向梁等组成。中梁为 封闭的箱型结构，由腹板、上下盖板组成。中梁腹板由两块厚度分别为6 r a m 、1 4 m m 的钢板拼焊而成，腹板最低高度为3 2 1 m m ，双腹板间距为3 4 0 m m 。中梁上盖板厚 度为4 m m ，下盖板由两块厚度分别为8 m m 、1 6 m m 的钢板拼焊而成。枕梁由厚4 m m 的上盖板、厚1 4 m m 的腹板和厚1 2 m m 的下盖板组焊成箱型结构且为等强度变截面 梁。4 根工字型变截面横梁由厚4 m m 的上盖板、厚6 m m 的下盖板和厚5 r a m 的腹板 组焊而成。大横梁是把工字型变截面横梁的截面变成箱型梁，板厚与工字型变截面 横梁相同。u 型纵向梁由8 0 5 0 4 ( m m ) 槽钢制成。整个底架铺设厚5 m m 的钢 6 硕士学位论文第一章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 地板。侧墙由墙板、压型侧立柱、上侧梁、横带等组。j = ；i l 而成，侧墙与地板通过弧板 连接。压型侧立柱焊在枕梁、横梁的上盖板上，板厚为5 r a m ，为了保护立柱根部的 焊缝在周围焊有倪护板。上侧梁截面形状为“y ”的封闭三角形。板厚为5 r a m 。横 带采用厚4 m m 的弧形板，与组焊在侧墙上形成封闭结构可有效防止侧墙外涨。侧 墙板厚度为4 m m ，整个侧墙外侧是平直的。端墙由墙板、压型横带、端立柱和上端 梁等组焊成。压型横带采用厚4 m m 的钢板，折弯成槽钢的截面形状。端立柱采用 变截面压型件，板厚为5 r a m 。上端梁也为槽形压型件，板厚为5 m m ，为了提高截 面抗弯模量，一边弯成4 5 。的斜面。端墙板厚度为4 m m ，整个端墙内侧是平直的。 车体主要技术参数如下： 总重每辆 轴重 自重每辆 车辆内长 车辆定距 车辆内高 车辆内宽 图2 - 1 四分之一车体结构图 7 2 3 0 咖 2 2 3 5i l l l l l 3 2 5 5 m m 7 t t t m o o 3 珊 6 4 2 0 加ol 硕士学位论文第二章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 最高运行速度9 0 l ( i n h 2 1 2 轴重4 0 t 矿石敞车同国产敞车的比较 自重系数是运送每单位标记载重所需的车辆自重，从技术的观点和材料的利用 率来看，车辆的自重系数显然愈小愈好。因为机车牵引的的车辆自重是一种无效重 量，并不产生经济效益。在一般情况下，一辆车的自重绝大部分为组成车辆四大部 件中金属件所占的重量，在一定的时期内转向架、车钩缓冲装置及制动装置的重量 变化不会太大，影响自重最大因素便是车体钢结构。轴重4 0 t 矿石敞车的自重系数 为0 1 6 8 ，不到0 2 。我国5 0 年代初期及中期生产的敞车自重系数多在o 4 及其以 上，如c 6 型敞车的自重系数为o 4 1 ；6 0 年代设计生产的敞车，如c 6 0 ，c 6 5 等自重 系数略低于o 3 ；7 0 年代以后设计的敞车自重系数为0 3 3 左右【2 l 】。可见，轴重4 0 t 矿石敞车的自重系数远远低于国产敞车的自重系数。 影响车辆自重系数除了车体钢结构外，另一个很大因素取决于车体材料的选 取。轴重4 0 t 矿石敞车车体所用材质( 型材与板材) 主要为0 4 5 0 n q r l 低合金碳素耐腐 蚀结构钢，其屈服强度为4 5 0 m p a ，抗拉强度为5 5 0 m p a 。国产敞车车体用材主要选用 铜磷钛系低合金钢，用得比较多的是0 9 c u p c r n i ，其屈服强度为2 9 4 m p a 。 轴重4 0 t 矿石敞车车体除了在材料上选取跟国产敝车不同外，车体钢结构与国 产敞车也有较大差异。我国敞车一般采用侧立柱外置的设计方案，这种设计可以保 证侧墙内壁平直，对于装载非散粒货物有好处，所以我国的通用敞车基本上都是采 用这种外置的方案。由于受车辆限界限制，采用这种方案车体内宽将受到制约，我 国敞车车体内宽基本上都不超过2 8 9 m 。轴重4 0 t 矿石敞车是运送矿石的专用敞车， 采用翻车机自动卸货，故采用侧立柱内置方案不影响装卸货物，还可在不增加车体 内长，车体内高的情况下增加车体的有效容积，变相的降低了车辆的重心高度，对 车辆动力学性能大有益处。轴重4 0 t 矿石敞车车体内宽为3 2 5 5 m ，比国产敞车车体 内宽宽了不少。我国敞车车体的中梁一般两根乙型钢组焊而成，截面不封闭，而该 敞车车体的中梁截面采用的是封闭的箱型设计，可以提高车体的纵向刚度。我国敞 车车体底架基本上都有侧梁，侧墙上侧梁由槽钢制成，槽口向下，该敝车车体底架 取消了侧梁，侧墙上侧梁截面形状采用封闭的三角形。 2 2 轴重4 0 t 矿石敞车车体静强度计算工况简介 根据a a r 标准和车辆的实际运营情况，作用在车体上的基本载荷如下： ( 1 ) 车体自重按体积力 ( 2 ) 转向架自重 6 3 5 t x 2 = 1 2 4 6k n 8 硕士学位论文第二章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 ( 3 ) 载重1 3 8 t = 1 ，3 5 3 8k n ( 4 ) 牵引拉伸载荷 3 5 0 ，0 0 0 磅= 1 ，5 5 7k n ( 5 ) 缓冲压缩载荷3 5 0 ，0 0 0 磅= l ，5 5 7k n ( 6 ) 车端压缩载荷1 0 0 0 0 0 0 磅= 4 ，4 5 0k n ( 7 ) 侧墙横向力 2 9 5 5k n ( 库仑土压力) ( 8 ) 端墙纵向力 9 0 5k n ( 库仑土压力) ( 9 ) 冲击载荷1 ，2 5 0 ，0 0 0 磅= 5 ，5 6 0k n a 回拨车载荷 2 ，0 0 0k n q d 翻车机载荷每个压头1 4 t = 1 3 7 3 4k n 端墙冲击载荷3 9 x2 5 x1 3 8 t = l ，0 1 5k n 地板上的摩擦力3 9 2 5 x1 3 8 t = 5 0 7 6 6 7 5k n 车体沿纵向方向的惯性力 3 9x8 3 4 3 2 t - - - - - 1 2 2 7 7 0 1 8 8k n 心盘中心载荷1 ，7 1 2 6k n ( i o , b 盘边缘载荷1 ，7 1 2 6k n 旁承载荷 9 3 3 8k n 该敞车静强度计算共有1 8 种工况，见表2 - 1 。本文在前1 5 种工况静强度计算 的基础上对车体结构进行了稳定性分析及材料非线性分析，分别对应于载荷工况 1 6 1 8 ，这将在后面几章作详细论述。前1 5 种工况的计算结果见表2 2 。 表2 - 1 轴重4 0 t 矿石敞车车体静强度计算工况嘲 基本载荷( 1 【n ) 工况 垂向纵向 横向 自重木1 8 +9 0 5 1 8 = 1 6 2 9 ，以土压力形2 9 5 5 1 8 = 5 3 1 9 ，以土 工况i ：自重+ 载重 1 3 5 3 8 1 8 式作用于端墙压力形式作用于侧墙 工况2 ：牵引拉伸1 5 5 7 1 8 = 2 8 0 3 ，以三角压力形 载荷式作用于前从板座 工况3 ：缓冲压缩1 5 5 7 1 8 = 2 8 0 3 ，以三角压力形 载荷式作用于后从板座 工况4 ：车端压缩 4 4 5 0 ，以三角压力形式作用于 载荷后从板座 9 0 5 i 8 = 1 6 2 9 ，以土压力形 工况5 ：自重+ 载重自重木1 8 +式作用于端墙， 1 5 5 7 i 8 =2 9 5 5 1 8 = 5 3 1 9 ，以土 + 牵引拉伸载荷1 3 5 3 8 i 8 2 8 0 3 ，以三角压力形式作用于压力形式作用于侧墙 前从板座 9 硕士学位论文 第二章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 9 0 5 i 8 = 1 6 2 9 ，以土压力形 工况6 ：自重+ 载重自重木1 8 +式作用于端墙， 1 5 5 7 i 8 =2 9 5 5 i 8 = 5 3 1 9 ，以土 + 缓冲压缩载荷1 3 5 3 8 i 82 8 0 3 以三角压力形式作用于压力形式作用于侧墙 后从板座 9 0 5 ，以土压力形式作用于端 2 9 5 5 ，以土压力形式作工况7 ：自重+ 载重 自重+ 1 3 5 3 8墙；4 4 5 0 ，以三角压力形式作 + 车端压缩载荷 用于侧墙 用于后从板座 工况8 ：自重+ 载重8 0 矿石以土压力 + 翻车机载荷( 部 形式作用于地板； 8 0 矿石以重力形式作用于车8 0 矿石以土压力形式 分货物已倒出，车翻车机每个压头力体一面侧墙上作用于车体端墙上 体旋转9 0 。)为1 3 7 3 4 k n 9 0 5 ，以土压力形式作用于端 2 9 5 5 ，以土压力形式作 工况9 ：自重+ 载重 自重+ 1 3 5 3 8墙：2 0 0 0 ，作用于冲击座上端 + 拨车力 用于侧墙 面 工况i 0 ：自重+ 载 自重+ 1 3 5 3 8 9 0 5 ，以土压力形式作用于端 2 9 5 5 ，以土压力形式作 重+ 牵引拉伸载荷墙：1 5 5 7 i 8 = 2 8 0 3 ，以三角 用于侧墙 + 扭转载荷压力形式作用于前从板座 工况i i - 自重+ 载 自重+ 1 3 5 3 8 ： 9 0 5 ，以土压力形式作用于端2 9 5 5 ，以土压力形式作 1 2 4 6 作用于心盘 重+ 抬升载荷 墙用于侧墙 面 工况1 2 ：自重+ 载 自重 2 + 1 3 5 3 8 * 2 ： 9 0 5 牛2 = 1 8 1 ，以土压力形式作2 9 5 5 * 2 = 5 9 1 ，以土压 1 2 4 6 ，作用于心盘 重+ 顶车载荷用于端墙 力形式作用于侧墙 面 工况1 3 自重+ 心 自重+ 1 7 1 2 6 心盘 中心向上+ 1 7 1 2 6 盘中心载荷 枕梁中心向下 工况1 4 ：自重+ 心 自重+ 1 7 1 2 6 心盘 边缘向上+ 1 7 1 2 6 盘边缘载荷 枕梁中心向下 工况1 5 ：自重+ 旁 自重+ 9 3 3 8 旁承向 上+ 9 3 3 8 枕梁中心 承载荷 向下 9 0 5 ，以土压力形式作用于端 2 9 5 5 以土压力形式作 工况1 6 ：自重+ 载 自重+ 1 3 5 3 8墙：4 4 5 0 ，以三角压力形式作 重+ 车端压缩载荷 用于侧墙 用于后从板座 1 0 硕士学位论文第二章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 9 0 5 ，以土压力形式作用于端 墙；4 4 5 0 k ，以三角压力形式 2 9 5 5 。以土压力形式作 工况1 7 ：自重+ 载 自重+ 1 3 5 3 8作用于后从板座，k 值将根据 重+ 车端压缩载荷用于侧墙 线性届曲分析的一阶模态频率 取值。 9 0 5 ，以土压力形式作用于端 工况1 8 自重+ 载 自重+ 1 3 5 3 8 墙；5 5 6 0 ，以三角压力形式作3 5 4 6 ，以土压力形式作 重+ 冲击载荷用于后从板座；1 0 1 5 ，均布作用于侧墙 用于端墙 表2 - 2 前1 5 种工况计算结果 v o nm i s e s 最 工况 许用应力发生位置t o p b o t t o m 层 大应力 1 3 4 34 5 0 侧墙横带于端墙交接处 b o t 23 9 84 2 0 上侧梁 b o t 中梁下盖板与靠近枕梁的横 32 0 54 5 0 t o p 梁下盖板交接处 中梁下盖板与靠近枕梁的横 4 3 2 64 5 0 t o p 梁下盖板交接处 5 4 0 3 4 5 0 侧墙横带于端墙交接处 b o t 64 3 34 5 0 中间侧立柱根部焊缝保护板 b o t 73 5 44 2 0 中梁下盖板开孔处t o p 82 9 54 5 0 侧墙横带于端墙交接处 b 0 t 93 8 24 2 0 冲击座 t o p 1 04 1 54 5 0 上侧梁与端梁交接处 b 0 t 1 1 3 3 9 4 5 0 端立柱与压型横带交接处 t o p 1 23 9 94 5 0 枕梁封板与侧墙交接处t o p 1 33 2 84 5 0 枕梁上盖扳t o p 1 44 0 54 5 0 枕梁上盖板t o p 1 54 7 24 5 0 枕梁下盖板 b 0 t 由表2 - 2 可以看出，除了工况1 5 外，前1 4 种工况的v o nm i s e s 最大应力均小 于各自的许用应力，按照车体常规的静强度计算，该车体基本满足要求。然而事实 并非如此，根据本文基于a n s y s 软件对车体的非线性稳定性分析得出，车体在重车 4 4 5 0 k n 的压缩载荷下是不稳定的。 a n s y s 是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型商业软件【2 2 ，2 4 】，其 系列产品由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，以满足各行各业的工程需求， 下面将对a n s y s 软件作一简单介绍。 l 、a n s y s 模块组成和特点 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块【2 8 , 3 1 】。 硕士学位论文 第二章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限 元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、 压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度 分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢 量显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。下面 将分别介绍各个模块的功能。 ( 1 ) 前处理模块( p r e p 7 ) 该模块用于定义求解所需的数据，用户可以选择坐标系统、单元类型、定义实 常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元，以及定义 耦合和约束方程等。总的来说主要包括两方面的内容：实体建模和网格划分。 实体建模：a n s y s 程序提供了两种实体建模方法【2 9 , 3 3 】：自顶向下与自底向上。自 项向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元， 程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型， 如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方 法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出一个实体模型。s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建 复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。 a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附 加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动 相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底 向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键 点，然后依次是相关的线、面、体。 网格划分；n 、j s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的功 能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分【2 9 弱】。延 伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何 模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。 a n s y s 程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用 户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格 划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网 格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网 格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 ( 2 ) 求解模块( s o l u t i o n ) 1 2 硕士学位论文第二章轴重4 0 t 矿石敞车车体设计 在前处理阶段完成建模以后，用户在求解阶段通过求解器获得分析结果。点击 快捷工具区的s a v eb 将前处理模块生成的模型存盘，退，点击实用_d出p r e p r o c e s s o r 菜单项中的s o l u t i o n ，进入分析求解模块【2 3 】。在该阶段，用户可以定义分析类型、 分析选项、载