（车辆工程专业论文）载重80吨自翻车结构分析及轻量化设计的研究.pdf

中文摘要 摘要：我国铁路货物运输中散装货物所占比重较大，约占货运量的6 0 ，但其装 卸( 特别是卸货) 机械化程度较低。自翻车是一种将卸货设备和车辆结构结合在 一起的专用车辆，大力发展自翻车可以有效提高我国货运能力。为提高我国自翻 车的分析及设计水平，本文主要做了以下方面的研究： 1 以石家庄车辆有限公司设计的载重8 0 t 气动自翻车为研究对象，建立了三 维模型。分析自翻车的倾翻稳定性，结果表明其稳定性良好。并对影响倾翻稳定 性的因素进行了分析，提出了提高稳定性的措施。 2 依据铁道车辆强度设计及试验鉴定规范，进行了结构刚度、强度分析， 结果符合要求但车箱设计趋于保守。结合自翻车受载特点，分析车体高应力区域 产生的原因，并对自翻车结构设计提出了建议。 3 基于车箱的有限元分析结果，将轻量化设计理论及方法引入车箱的结构设 计，完成了车箱的优化设计，使质量减轻量为1 0 3 8 ，效果明显。优化后对车箱 稳定性、强度和刚度再次进行校核，证明了轻量化设计的合理性。 关键词：自翻车；稳定性；有限元法；结构分析；轻量化设计 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：c h i n ar a i l w a yt r a n s p o r tu n d e r t a k e sah e a v yt a s k ，w h i c hi se s p e c i a l l y i m p o r t a n to nt h ec a r r i a g eo fg o o d s b u l kc a r g o e si nt h et r a n s p o r to fg o o d s a c c o u n tf o r al a r g ep r o p o r t i o no fa b o u t6 0 l o a d i n ga n du n l o a d i n g ( e s p e c i a l l yi nu n l o a d i n g ) e q u i p m e n t sa r e1 e s sm e c h a n i z e d s e l f - d u m p i n g c a ri sac a rc o m b i n i n gu n l o a d i n g e q u i p m e n t sa n dv e h i c l es t r u c t u r e s d e v e l o p i n gs e l f - d u m p i n gc a rc a ng r e a t l yi m p r o v e t h et r a n s p o r tc a p a c i t yo fo u rc o u n t r y i no r d e rt oi m p r o v et h ea n a l y s i sa n dd e s i g nl e v e l o ft h es e l f - d u m p i n gc a r , t h ep a p e rd i dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： 1 b a s e do nt h e 8 0 ts e l f - d u m p i n gc a rd e s i g n e db ys h i j i a z h u a n g v e h i c l e s c o r p o r a t i o n t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l a f t e rt h i sw o r k ，t h ep a p e r a n a l y z e dt h es t a b i l i t yo ft h es e l f - d u m p i n gc a rd u r i n g t h eu n l o a d i n gp r o c e s s ，a n df i n d si t h a sag o o ds t a b i l i t y b a s e do nt h i s ，i ta n a l y z e dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t st h es t a b i l i t yo f t h ec a ri no r d e rt og i v et h em e a s u r e st oi m p r o v et h es t a b i l i t y 2 a c c o r d i n gt ot h et b t 1 3 3 5 1 9 9 6 ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec a r s s t i f f n e s sa n d s t r e n g t h t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：t h ed e s i g no ft h es e l f - d u m p i n gc a rm e e t e dt h e r e q u i r e m e n t sb u tt h ec a rt e n d e dt oc o n s e r v a t i v e a c c o r d i n gt ot h el o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h es e l f - d u m p i n gc a r , t h ep a p e ra n a l y z e dt h er e a s o n sr e s u l t i n gi nh i g hs t r e s sa n dg a v e s o m ed e s i g ns u g g e s t i o n so ft h es e l f - d u m p i n gc a r 3 i nt h el i g h to ft h er e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ep a p e r i n t r o d u c e dt h e t h e o r ya n dm e t h o d o l o g yi n t ot h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f t h es e l f - d u m p i n gc a r a f t e r t h ep r o c e s so fo p t i m i z a t i o n ，t h em a s so ft h ec a rb o d yi sr e d u c e d1 0 38 f i n a l l y , t h e s t a b i l i t y , s t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h eo p t i m i z e dm o d e lw a sc h e c k e dw h i c h t e s t i f i e st h e r e a s o n a b l eo ft h el i g h tw e i g h td e s i g n k e y w o r d s ：s e l f - d u m p i n gc a r ；s t a b i l i t y ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t r u c t u r ea n a l y s i s ； l i g h t w e i g h td e s i g n c l a s s n o ： 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名。鄯乃良签字同期：伊吵年月沈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者躲智肜殳 签字日期：砂7 年月况日 新躲种矽 签字日期：7 缈7 年艿月伽 | 致谢 从一个懵懂少年成长到一名硕士研究生，每一步都走得很艰辛但又很幸运。 这一路上有人为我指路，有人给我安慰鼓励，要真心的感谢每一个出现在我生命 痕迹里的人。正是因为生命之间的相互联系相互影响，我们才是今天的我们。 我在研究生期间最大的幸运就是遇到了宋永增老师，我的硕士论文是在宋永 增老师的悉心指导下完成的。从论文的选题到问题的出现及解决，总是他在指导 我帮助我。宋永增老师敏捷的思路，渊博的知识，丰富的经验使我受益匪浅。 在课题的研究中，还得到谢基龙老师、李强老师、丁丽芬老师、王文静老师 及许秀峰工程师的悉心帮助和指导。他们对我的论文提出了许多宝贵的意见，在 此表示衷心的感谢。 另外，感谢实验室的张博、王亲敏、张福全等同学为论文做出的贡献，他们 在我的论文的撰写过程中给予了热情的帮助。 最后感谢含辛茹苦把我养大的父母，是他们的支持使我顺利完成学业。 1 1 选题背景及意义 1 绪论 1 1 1 国内外自翻车的发展情况及存在的问题 我国铁路承担着繁重的运输任务，其中货物运输尤甚。而货物运输中散装货 物所占的比重较大，约占货物运输的6 0 ，但其装卸( 特别是卸货) 的机械化程 度较低。因此提高对这类货物装卸的机械化、自动化水平迫在眉睫。 目前，我国散装货物运输主要靠通用敞车来完成。卸车作业在一些大型厂、 矿和港口采用翻车机、链斗卸车机卸货。但很大一部分中小型厂、矿及站厂的卸 车作业，还没有比较合适的机械。同时翻车机设备庞大复杂，有一定的局限性， 且易破坏车辆；链斗卸车机效率低，边角部位不易清除，很难满足粒( 块) 状货 物的卸货要求。对如何进一步提高散装货物卸车机械化的程度，应从两方面考虑： 其一，从卸车机具考虑，研制装卸机械化的设备；其二，采取设备与车辆合二为 一的方法，使它们能更好地满足不同散装货物的高效卸车要求。后者是提高卸车 措施的有效途径，这就要求大力发展专用车辆的数量和品种。 从世界各国铁路货车的发展趋势看，专用货车发展的速度很快，我国目前粒 ( 块) 状货物运输约占散状货物总运输量的4 0 ，而与之相适应的运输车辆则较 少，特别是自动倾翻车更少。因此大力发展自动倾翻车势在必行。自动倾翻车是 一种将卸货设备和车辆结构结合在一起的专用车辆，适用于备有机械化装车设备 的工厂、矿山、港口以及大型建筑工地等部门，用以运输矿石、岩石、砂砾、煤 炭、建筑材料等不同比重的粒( 块) 状货物。用它既可以最大限度地简化卸货场 地设施，又能更好地适应大中小型厂、矿及站厂的使用。因此开发研制新型自动 倾翻车具有广阔的前景【1 】【2 】。 国外的自翻车起步时间早，品种多样化，详见表1 1 。与国外相比，我国白翻 车发展较晚，无论品种和数量都难以适应当代货运快速发展的需要。我国制造的 第一台白翻车是上世纪三十年代由当时大连工矿车辆厂( 现大连重型机器厂) ，仿 造美国6 0 t 自动倾翻车制造的，后在1 9 5 9 年转由哈尔滨车辆厂生产。哈尔滨车辆 厂又经过一系列改进，于1 9 6 3 年定型为k f 一6 0 型。该型车是我国生产领域使用自 动倾翻车时间最长、数量最多的主要产品。之后哈尔滨车辆厂又先后研制了载重 1 0 0 吨的k f 一1 0 0 型液压自翻车、载重7 0 吨的k f 一7 0 型风动自翻车、载重6 5 吨的 k f 6 5 型风动自翻车，一共四种形式，如表1 2 【3 】【4 1 。 表1 - 1 国外白翻车主要参数 t a b l e 1 - 1t h em a i np a r a m e t e r so ft h es e l f - d u m p i n gc a ra b r o a d w 车型载重( t )自重( t ) 自重系数容积( m a )制造年份制造厂生产情况 表1 - 2 我国自翻车主要参数 t a b l e 1 2t h em a i np a r a m e t e r so ft h es e l f - d u m p i n gc a rh o m e -av 车型载重( t )自重( t )自重系数 容积( m 3 ) 制造年份制造厂生产情况 由上表可知我国自动倾翻车与国外相比还有很大差距，主要存在以下问题： 1 自重大 从以上两表中可发现，不论国内还是国外，自翻车的自重系数均较大，就两 表比较来看，国内平均自重系数为o 5 1 ，国外为o 4 9 。这和自翻车本身的工作性 质有关，装货条件恶劣要求有足够的强度；保证倾翻稳定，又要求车箱和底架有 2 足够的刚度，所以自重系数均较通用车要高。如何减轻自重，同时增加载重是一 个应积极研究的课题。 2 最高运行速度低 k f 1 0 0 型自翻车是三轴一体构架式转向架，适应曲线能力较差，对线路要求 较高，最高运行速度为8 0 k m h ，但实际运用速度低于4 0 k m h 。k f 6 0 型自翻车的 最高运行速度也是8 0 k m h ，后来哈尔滨车辆厂为哈尔滨铁路局制造了一批最高运 行速度9 0 k m h 的k f 6 0 自翻车，株洲车辆厂为郑州铝厂制造了一批最高运行速度 为1 0 0 k m h 的k f 6 0 型自翻车，均未正式定型，同时也和我国目前货车最高运行 速度1 2 0 k m h 的要求有很大差距。 3 品种少 目前在我国矿山及其它部门使用的自翻车，仅有k f 。6 0 型和k f 1 0 0 型两种。 其中k f 6 0 型较多，估计全国范围内有至少3 0 0 0 台，而且形式较杂，有用滑动轴 承的，有用滚动轴承的，有焊接构架式转向架，有三大件式转向架的，但上体基 本上是k f 6 0 原型原样。k f 1 0 0 型自翻车全国只有攀枝花矿业公司应用，共6 0 辆，到目前为止仅由哈尔滨车辆厂制造。 4 关键技术缺乏基础研究 白翻车不同于其它专用车辆，有其独特的要求，涉及的方面较多。从表1 2 中可看出我国自翻车，在上世纪六七十年代是发展高峰，但之后多停留在局部钢 结构的加强和走行部的改进上，在整体框架和一些影响倾翻性能的关键技术上未 做新的尝试，基本处于停滞阶段。例如对倾翻机构缺乏更多的研究，目前自翻车 的倾翻机构主要有三种，一是端部控制机构( 如图1 1 所示) ，前苏联的自翻车多 采用该种结构；二是大折页机构( 如图1 2 所示) ，k f 6 0 型自翻车应用此种结构； 三是四连杆机构( 如图1 3 所示) ，k f 1 0 0 型自翻车采用该结构。除此之外，还没 有推出更新的机构，来实现减轻车辆自重，简化车辆结构，增加车辆倾翻稳定性。 3 1 支撑杆一；2 支撑杆二；3 杠杆 图1 1 端部控制机构 f i g 1 1t h ee n dc o n t r o lm e c h a n i s m 1 折页；2 抑制肘；3 抑制肘弹簧；4 一环头丝杠 图1 2 大折页机构 f i g 1 - 2t h eb i gf o l d e rm e c h a n i s m 1 吊板；2 长支撑杆；3 短支撑杆 图1 - 3 四连杆机构 f i g 1 - 3t h ef o u rl i n kt y p em e c h a n i s m 5 车辆通过矿山移动线路和较小曲线半径的性能差 因为许多露天矿按掌子面作业，因而线路要经常移动，如攀钢朱家包包矿， 4 本钢南芬矿等，都是这种使用条件。由于非固定线路基础差，线路不平顺和三角 坑使导向轮易失载，发生掉道现象。目前的解决方式都是集中在掉道后如何容易 复原上，而没有在如何提高转向架适应线路的性能上加强研究。另一方面矿山方 面也抵制新结构转向架的推广，如石家庄车辆有限公司为本钢制造的一批k f 6 0 型自翻车，原打算采用曲线性能较好的三大件式转向架，增大了空车弹簧静挠度， 安装了减振器，但矿山方面坚决要用原来的h 2 e 型转向架，原因主要是该转向架 为一体结构，掉道后容易复原，但该转向架的曲线通过能力较差。k f 1 0 0 型自翻 车的应用条件较好，主要用在固定线路上的运输工作，但也发生过掉道现象，给 用户带来了麻烦【2 】【4 】。 1 1 2 本课题的现实意义 我国6 0 至7 0 年代自动倾翻车的发展较快，品种相对较多，而进入8 0 年代至l j 9 0 年代几乎没有什么新产品，但构想方案仍有一些。从满足铁路货运发展的角度看， 应大力研制相同吨位、不同容积、适应不同运行线路的低自重、构造速度高的多 品种自翻车，以适应冶金、煤炭等行业的发展。 本文以石家庄车辆有限公司设计的载重8 0 t 气动自翻车为研究对象，首先通过 对其稳定性、结构强度、刚度分析，了解自翻车的结构特点及受力特性，为自翻 车的结构设计及分析提供一定参考建议。然后通过引进轻量化设计理论，提高自 翻车的经济性。本文的研究成果为自翻车的结构设计及分析提供参考，也为优化 设计方法在自翻车设计中的深入研究积累了一定得经验。 1 2 论文主要研究内容 载重8 0 t 气动自翻车车体包括车箱、底架两部分。车箱由车箱底架、侧墙、端 墙等三大部件组成，其主要承载件由板材q 4 5 0 和型钢q 3 4 5 组焊而成。车体底架 结构主要用材为q 4 5 0 n q r l 高强度耐大气腐蚀钢。整个结构由中梁、枕梁及端梁 等组成箱型焊接结构。本文以载重8 0 t 气动自翻车车箱、底架为研究对象，主要研 究内容如下： 1 根据石家庄车辆有限公司提供的车箱、底架二维图纸，利用三维软件p r o e 建立三维实体模型，为车箱的稳定性分析及有限元模型的建立做准备。 2 根据车辆动力学中有关稳定性的理论，对自翻车卸货过程中的稳定性进行 分析和计算。在检验自翻车车箱设计稳定性的基础上，对影响自翻车稳定性的因 素进行分析，进而提出提高自翻车稳定性的措施。 3 应用a n s y s 软件依据铁道车辆强度设计及试验鉴定规范对白翻车进 行结构刚度、强度分析。并根据自翻车受载特点，分析计算结果中车体高应力区 域出现的原因，从而对自翻车的结构设计提出建议。 4 将轻量化设计理论应用到车箱设计上。选择合理的设计变量、状态变量及 目标函数对车箱进行轻量化设计，并对优化后的车箱进行稳定性、刚度和强度校 核。 6 2 自翻车卸货稳定性的分析 2 1 自翻车车箱重车重心高的计算 自动倾翻车卸货前可看作静载铁路货车，为了研究倾翻车卸货时的稳定性， 首先研究其重车重心位置。 铁路货车按其用途不同可分为通用货车和专用货车，在静载重车重心高分类 计算中应遵循以上分类规则。铁路重车是指装载货物后的铁路货车。静载铁路货 车是指按额定载荷装载的静止在水平地面上的铁路货车。倾翻车准备卸货时可看 作静载铁路货车，倾翻车的重车重心高可按照通用货车中的敞车的计算方法。通 用货车的静载重车重心高的计算涉及两部分重心高：空车重心高和货物重心高。 计算重车的重心高可用公式【6 】： 妒毪赘竽 亿。 式中：k 一空车重心高 q 垄一车箱自重 q 货一货物重量 一货物重心高度 自翻车主要用来运输矿石、岩石、砂砾、煤炭、建筑材料等不同比重的粒( 块) 状货物。当自翻车装载同种货物时，装载物可认为是匀质的，即密度相同。在本 论文计算中，按照自翻车装载额定载荷，货物刚好装满车箱( 没有起脊) 来计算 货物重心。载重8 0 t 自翻车的装载示意图如图2 1 。 7 c ) c ) c ) 、- _ 图2 1 自翻车装载示意图 f i g 2 - 1t h el o a ds k e t c hm a po ft h es e l f - d u m p i n gc a r 自翻车车箱的重心高度及质量可以根据设计图纸计算得到。货物的质量按额 定载重8 0 t 计算，货物的重心可以通过几何计算获得( 货物形状为梯形状) 。由于 前期已经利用p r o e 软件建立了车箱的三维模型【7 1 ，所以本文利用p r o e 中的质量 分析模块可以直接计算出车箱空车时重心高度h 缸。利用p r o e 得出车箱空车时质 量为1 5 3 8 t ，重心距离坐标系原点即地板上表面z 方向距离为4 9 5 7 m m ( 如图2 2 ) ， 而地板上表面与自翻车车箱底架转轴中心线的距离为4 3 4 m m ，所以，空车时重心 距离转轴高度为4 8 3 5 7 m m 。针对货物重心距离转轴的高度，按照货物刚好装满整 个车箱，没有起脊，质量为标准载荷8 0 t ，利用同样的方法计算出货物距离坐标原 点即地板上表面的高度为5 1 1 2 1 r a m ( 如图2 3 ) 。由此计算出货物距离车箱转轴的 高度为9 4 5 2 1 m m 。 ，结果。 + 。 ，。 。 ；质量= 1 5 3 8 6 1 2 5 e + 0 1 公吨 | l 根据- c 您h g x 工_ 6 i h g z 地】：| 驱坐标边框确定重心： | x y z 一1 3 4 9 7 8 9 1 e 一0 2o 0 0 0 0 0 0 0 e + 0 04 9 5 6 9 0 2 7 e + 0 1 图2 - 2 车箱质量及重心坐标 f i g 2 - 2 t h eb o d ym a s sa n dc e n t r e - o f - g r a v i t yp o s i t i o n 一结果 一 i 根据h u o w 唑标边框确定重心： l | x yzo 0 0 0 0 0 0 0 e + 0 0l 1 1 5 9 5 6 0 e + 0 3 1 1 2 0 5 9 3 e + 0 2 毫米 图2 - 3 货物重心坐标 f i g 2 3t h eg o o d sc e n t r e o f - g r a v i t yp o s i t i o n 利用公式2 1 计算得白翻车车箱重车时重心距离车箱转轴座轴线的高度： 8 砧=4835691538+94520680=870fin 绝f = 一= 6 八j 里8 0 + 1 5 3 8 2 2 载重8 0 t 自翻车卸货稳定性的分析 自翻车在卸货的过程中必须保证其卸货稳定性，否则会发生倾翻事故。为此 我们必须研究车箱卸货时的稳定性。载重8 0 t 气动自翻车的倾翻机构采用的是四连 杆机构，如图2 4 所示，其设计性能指标见表2 1 。当侧门处于水平位置时，车内 所装的物料还基本没有流出车箱，但已滑向了车门，此时整个车体的偏重最多， 也最不稳定。如果随着车箱继续倾覆，物料能及时滑出车箱，且还保持车箱有足 够的复原力，则车箱处于稳定状态。相反，若物料不能及时滑出车箱，随着重心 偏移量的加大，当重心超过一侧支点时，就没有车箱复原力了，车箱也就失去了 稳定性 8 3 1 9 。 1 一吊板销一；2 吊板；3 吊板销二；4 吊板销挡；5 长支肘；6 支撑杆销；7 短支肘 图2 _ 4 四连杆机构 f i g 2 - 4 t h ef o u rl i n kt y p em e c h a n i s m 表2 1 倾翻机构设计性能 亿l b l e 2 1t h ed e s i g np e r f o r m a n c eo ft h es e l f m p p i n gw a g o n 车箱倾翻角度( o )侧门开度( o ) 9 o 加 傩 b 体 ： 6 8 1 1 1 0 5 m ：2 加 巧 如 表2 1 倾翻机构设计性能( 续) 车箱倾翻角度( o )侧门开度( o ) 3 5 4 0 4 5 1 2 3 1 2 8 1 3 3 由表2 1 及前边分析可知，当车箱倾翻1 5 度时，侧门开度8 9 5 度，此时侧门 处于偏重的临界位置。为便于计算参考有关自翻车稳定性分析文献，作下列假定： 1 侧门打开至水平位置时物料还没有滑出，只是发生物料的重心偏移； 2 所装物料均匀分布，即4 个支点受力匀称； 3 倾翻后车箱的左右支点承载增减值相等； 4 倾翻后车箱重心也同时沿转轴座轴线转动。 应用车辆系统动力学 1 0 】有关稳定性理论，设车辆抗倾覆( 扣翻) 能力的 指标为倾覆系数d ，其值用公式表示为： d ：曼：生生 ( 2 2 ) ，+ # 、7 式中：只，一无横向力作用时轮轨间垂向静载荷 一在横向力作用下轮轨间垂向力变化量 只一增载侧轮轨间垂向力 曰一减载侧轮轨间垂向力 d 值范围在0 与1 之间。当d 值为0 时，两侧支点受力匀称，为最稳定位置； d 值为1 时，说明减载侧车轮垂向力暑= o ，为最不稳定位置，外力再稍增加，平 衡即被破坏。g b 5 5 9 9 8 5 e 1 1 】规定的容许倾覆系数d 0 8 。 自翻车倾翻卸货中动力平衡的示意图如图2 5 所示。a 、b 两点分别为两侧转 轴的支承点( 车箱顶起时，顶起侧为顶铁轴承) 。倾翻后车箱左右支点增减载使左 右侧弹簧产生的高低差对车箱倾角的影响很小，计算中可忽略。根据力矩平衡原 理，对a 点取平衡得： p 2 2 s x c o s o f = p ( s x c o s 6 r , + h s i n a )( 2 3 ) 对b 点取平衡得： p lx2 s xc o s o ! _ = p ( s xc o s 6 1 f _ 一h s i n 口)( 2 - 4 ) 1 0 由2 2 、2 3 、2 4 式整理得出d 与h 、s 、口的关系式如下： d ：i hx t a n t z ( 2 5 ) s 、 式中： 口一侧门处于水平位置时车箱的倾翻角度 h 一重车时车箱重心距转轴高 图2 5 倾翻平衡图 f i g 2 5t h ee q u i l i b r i u md i a g r a mo ft h et i p p i n gw a g o n 由设计图纸知s = 8 0 0 m m ；由2 2 节计算结果及假设倾翻后车箱重心也同时沿 转轴转动知h = 饴= 8 7 0 m m ，由表2 1 知口= 1 5 。，利用公式2 5 得倾翻系数： d = h s 凇= 器t a n l 5 0 = o 2 9 o 8 ( 2 - 6 ) s 8 0 0 p 叫 由此可知，自翻车车箱在倾翻卸货的过程中，侧门开启较早，有很小的倾翻 系数，因而该自翻车车箱拥有稳定可靠的倾翻性能。 2 3 提高自翻车卸货稳定性的研究 2 3 1 影响自翻车卸货稳定性的原因 由于自动倾翻车工作的特殊性，其卸货过程是在瞬间完成，因此对其倾翻稳 定的要求尤为突出。而影响倾翻稳定性的原因很多，主要包括以下方面： 1 季节的影响 雨季，散状货物易粘车箱( 特别是车箱地板面) ；冬季，湿的散状货物易冻结。 两种情况都能使货物不易沿车箱地板及延续面下溜。当车箱被顶起后，因货物粘 结或冻结，致使车箱倾翻角到极限位置时仍不下溜，因而形成合成重心不能随倾 翻车车箱倾翻角的增加而降低，而是继续外移。当合成重心水平坐标超过倾翻侧 回转中心时，车辆就会发生倾翻事故。 2 装载及线路的影响 装车时过于偏载或有大块集重物压车门，倾翻时也会造成自翻车倾翻事故的 发生。同时倾翻地点移动线路不平顺或路基过软也会造成事故。 3 车辆倾翻结构的设计性能 由第一章的内容可知，现在的倾翻机构主要分为端部控制机构，大折页机构 和四连杆机构。目前国内自翻车主要采用的是大折页机构。该机构侧门不能提前 打开，存在着倾覆稳定性差的弊端。而载重8 0 吨自翻车采用的是新型的四连杆倾 翻机构，该机构可以实现侧门的提前打丌。车箱倾翻1 5 。时，侧门即处于水平状态， 可以实现提前卸货，从而拥有良好的稳定性。 4 回转距的大小 由2 2 节的分析可知，自翻车的倾覆系数还与两回转轴之问的距离即回转距 离有关。回转轴就是车箱在倾覆时绕其旋转的轴，按结构可分为转轴在车辆中心 线上和转轴在车辆中心线两侧两种形式。两转轴间距离就是回转距离。回转轴在 车辆中心线上，所需倾翻力最小，但合成重心较高，但倾翻稳定性较差，多用于 小吨位车辆使用。回转轴在车辆中心线两侧时，就涉及到回转距离选取问题。 2 3 2 提高自翻车倾翻稳定性的措施 提高自翻车倾翻稳定性的措施主要可以从自翻车本身性能及外部因素两方面 进行考虑。具体主要包括： 1 设计出能够使侧门开启更早的倾翻机构，实现提前卸货，从根本上保证稳 定性。 2 选择合理的回转距。由2 2 分析可知，回转距越大，倾覆系数越小。但是 回转距离的过大，会造成倾翻缸行程过大，倾翻力的增大等弊端。因此应参考国 外及国内以往设计经验，选择合理的值。 3 装载货物时要避免过分偏载。 2 4 本章小结 本章首先讨论了铁路货车重车静载重心高度的理论计算方法，利用p r o e 的质 量分析功能计算出自翻车车箱重心的位置。然后根据车辆系统动力学有关稳 定性的理论，推导出该自翻车车箱卸货过程中最不稳定时刻的倾翻系数。结果表 明，该自翻车车箱具有可靠的倾翻稳定性。最后，在自翻车稳定性分析的基础上， 对影响自翻车卸货过程中的稳定性因素进行了分析，并提出了提高稳定性的措施。 1 2 3 自翻车有限元模型的建立 3 1 有限元方法概述 3 1 1 有限元法的发展概述 有限元法始于本世纪4 0 年代初期，当时数学家r c o u r a n t 用三角形单元计算 棱杆的扭转问题，m j t u m e r 将这一方法运用到工程设计中并加以推广，在五十年 代中期，他们用平面分析法求解了复杂的飞机结构问题。他们得到的有限元方程 属于以节点位移为未知量的矩阵位移法。m j t u r n e r 的顾问r c o u r a n t 把这种新的 工程计算方法拓广到土木工程上，并在一篇题为“平面分析的有限单元法”论文中首 先使用“有限元法”( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 这个名称。初期的有限元都是以单一 的位移场作为未知量，它在单元间边界上满足协调条件，故称之为位移元或协调 元。位移元有列式简单、计算量小、易于在计算机上实施的优点。当然也有其缺 陷，对于平板弯曲问题与薄壳问题，在引用变分法时，位移元要求挠度及其导数 都连续，这样很难建立单元内插值形函数。另外，位移元对于奇异性问题效率较 低，对不可压缩材料存在“自锁”现象【1 2 】。 1 9 6 3 1 9 6 4 年，b e s s e l i n g 、m e l o s h 和j o n e s 等证明有限元法是基于变分原理的 r i t z 法的另一种形式，从而使r i t z 分析的所有理论基础都适用于有限元法，证明 了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法【1 4 】。 从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代中期，有限元法向着深度和广度发展，有限元分 析方法从最早的结构化矩阵分析，逐步推广到板、壳、实体等连续体固体力学分 析。近年来有限元法已经发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场 等问题的求解计算，最近又发展到求解一些交叉学科的问题。 从2 0 世纪8 0 年代后半期到现在，一方面，在理论上，随着科学技术的发展， 线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业的高层建筑和大跨度旋索 桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题。航天和动力工 程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题。塑料、橡胶和 复合材料等各种新型材料的出现，仅靠线性计算理论已经不足以解决遇到的问题， 只有采用非线性有限元法才能解决。在有限元的传统领域固体力学中，非线性有 限元逐渐成熟，同时在其他领域，比如压电分析、电磁场分析方面也取得了长足 的进展。另一方面，随着计算机技术的发展和软件工程的兴起，大型商用有限元 1 3 软件在更好的人机界面、更强的分析功能、更直观结果的显示方面取得了长足的 进步，并与计算机辅助设计c a d 软件集成在一起形成了一个新的领域c a e ，给 工程设计带来巨大的变革。为了提高有限元解决实际工程问题的效率，前置建模 及网格划分和后置数据处理已经越来越受到重视。工程师在分析计算一个工程问 题时有8 0 以上的精力会花在数据准备和结果分析上。在强调可视化的今天，有 无前后处理，已经成为有限元程序评价的重要标准【1 5 】。 3 1 2 有限元法的求解过程 对于大多数的工程技术问题，由于物体的结构形状复杂或者某些特征是非线 性的，使得边值问题的求解十分困难，很少有解析解。这类问题的求解方法通常 有两种：一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能处理的问题，从而得到 它在简化状态下的解，但过多的简化可能导致不正确甚至错误的解；二是把连续 体离散化，然后借用结构矩阵分析的方法来处理，用数值法求解。 有限元法是近似求解一般连续性问题的数值方法。它的基本思想是假想把连 续体的求解域人为地划分为一定数量的单元，单元之间仅依靠节点连接，组成一 个单元的集合以代替原来的连续体。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选 定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，容易通过平衡关系或能量关系建立 节点量之间的方程式，然后将各个单元组集在一起而形成总体代数方程组，计入 边界条件求解【l 6 1 。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和运算求解不同。通常有限元求解问题的基本步骤如下： 1 结构离散化 应用有限元法来分析工程问题的第一步，首先是将结构进行离散化。其过程 就是将待分析的结构用一些假想的线或者面进行切割，使其成为具有选定切割形 状的有限个单元体。这些单元体被认为仅仅在单元的一些指定点处相互连接，这 些单元上的点称为单元的节点，也就是用单元的集合体来代替原来待分析的结构。 2 确定单元位移模式 结构离散化之后，接下来的工作就是对结构离散化所得的任一典型单元进行 单元特性分析。首先必须对该单元中任意一点的位移分布做出假设，即在单元内 用只具有有限自由度的简单位移代替真实位移。对位移元来说，就是将单元中任 意一点的位移近似的表示成该单元节点位移的函数，该位移称为单元的位移模式 或位移函数。位移函数的假设合理与否，将直接影响到有限元分析的计算精度、 效率和可靠性。目前比较常用的方法是以多项式作为位移模式，这主要是因为多 1 4 项式的微积分运算比较简单，而且从泰勒级数展开的意义来说，任何光滑函数都 可以用无限项的泰勒级数多项式来展开。位移模式的合理选择，是有限元法中最 重要的内容之一。 不管哪类位移元，采用矩阵符号并建立相应的矩阵方程，单元中任意一点的位 移矩阵d ，均可用该单元节点位移排列成的矩阵( 称为单元节点位移矩阵) 矿来 表示： d = n 8 。 ( 3 1 ) 式中：n 为形函数矩阵，其元素是坐标的函数。 3 单元特性分析 确定了单元位移模式之后，就可以对单元作如下三方面的工作： 1 ) 利用应变和位移之间关系即几何方程，将单元中任意一点的应变s 用待定 的单元节点位移矿来表示，即建立如下矩阵方程： 占= b 6 8 ( 3 2 ) 式中：b 为变形矩阵，一般其元素也是坐标的函数。 2 ) 利用应力和应变之间的关系即物理方程，推导出用单元节点位移扩表示的 单元中任意一点应力万的矩阵方程： 万= d b 6 。= s 万。 ( 3 - 3 ) 式中：d 为由单元材料弹性常数所确定的弹性矩阵，s = d b 一般称为应力矩阵， 它的元素一般也是坐标的函数。 3 ) 利用虚位移原理或最小势能原理( 对其他类型的一些有限元将应用其他对 应的变分原理等) 建立单元刚度方程： k 。扩= f 8 + p e( 3 4 ) 式中：f e 单元节点力矩阵，它是相邻单元对所讨论单元产生的节点作用力所排列 成的矩阵； f 。，一作用在该单元上的外载荷转换成的、作用于单元节点上的单元等效载 荷矩阵； k 。由虚位移原理或最小势能原理推导所得，是将单元节点位移和单元节点 力、单元等效节点载荷联系起来的联系矩阵，称为单元刚度矩阵。 4 按离散情况集成所有单元的特性，建立表示整个结构节点平衡的方程组 有了单元特性分析的结果，像结构力学中解超静定的位移法一样，对各单元 仅在节点相互连接的单元集合体用虚位移原理或最小势能原理进行推导，可以建 立起表示整个结构( 实质上更确切地说是单元集合体) 节点平衡的方程组，即整 体刚度方程： k a = 乞+ 尼= p( 3 5 ) 式中：足为整体刚度矩阵，p 为整体综合节点载荷矩阵( 它包含直接节点载荷只和 等效节点载荷只两部分) ，为结构的整体节点位移矩阵。通过所谓直接刚度法， 可以用“对号入座”方式由各单元的单元刚度矩阵和单元等效节点载荷矩阵集成整 体刚度矩阵和整体等效节点载荷矩阵。 5 解方程组和输出计算结果 对于本论文所讨论的线弹性计算问题，整体刚度方程式( 3 - 5 ) 一般是一组高 阶的线性代数方程组。由于整体刚度矩阵具有带状、稀疏和对称等特性，在有限 元发展的过程中，人们通过研究，建立了许多不同的存储方式和计算方法，目的 是节省计算机的存储空间和提高计算效率。利用相应的计算方法，即可求出全部 位置的节点位移。 求出结构全部节点位移后，利用分析过程中已建立的一些关系，即可以进一 步计算单元中的应力或内力，并以数表或图形的方式输出计算结果。依据这些结 果，就可以进行具体结构的进一步设计【1 7 】。 3 1 3 有限元软件的介绍 在现代产品开发中，目前广泛使用c a d c a e c a m 集成方法和手段。c a d 用 于产品结构的表示，其作用是形成数字化的产品；c a e 是对数字化产品的性能进 行分析和仿真，其目的是在产品样机实现以前，对设计产品的性能进行全面的预 测和优化，以减小物理样机的制作次数和提高产品性能；c a m 则是对产品制造进 行设计，形成产品加工的工艺过程和数控代码，并利用设备进行制造。 有限元法是c a e 的主要方法，现已成为c a e 的代名词。由于该方法具有独 特的优越性，因此在产品开发中得到了广泛应用。目前已开发出许多著名的有限 元分析软件，如a n s y s 、i - d e a s 、n a s t r a n 、a b a q u s 等。这些软件有很强的 前后处理功能和丰富的计算方法，能够分析很多实际的工程和物理问题，大大推 动了有限元法在产品开发中的应用【1 8 】。 在本文的研究中，使用的软件是目前轨道车辆有限元分析通用的大型商业软 件a n s y s ，该软件功能强大，能够完成复杂工程问题的计算。 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司的c a e 产品，是一个通用有限元仿真分析软 件，早期的产品只提供热分析和线性结构分析功能，只能运行在大型计算机上， 必须通过编写分析代码按照批处理方式执行。2 0 世纪7 0 年代后，逐步增加了非线 性计算功能、更多的单元类型以及子结构等技术。随着小型机和p c 机的出现，操 作系统进入图形交互方式以后，a n s y s 程序建立了交互式操作菜单环境，极大地 简化了分析工程的操作性，使设计分析更加直观和可视化，程序不再仅仅是求解 1 6 韭基至煎左堂耍堂焦监窑自盘芏直匪盂拦型啦建童 器，同时提供前后处理器，对模型的创建和结果的处理更加方便。 随着分析技术的进步，许多新的设计分析概念和方法不断充实到a n s y s 程序 中，a n s y s 推出微机版程序，使得a n s y s 的普及应用取得巨大的成功。经历了 4 x 、5 x 、6 x 、7 x 、8 x 到a n s y s 9 0 ，a n s y s 程序的功能不断丰富，更加完善， 求解的速度和规模也越来越大，操作也越来越方便，受到了国内外工程技术人员 的极大欢迎。 三十多年以来，a n s y s 公司紧跟世界最新的计算方法和计算技术，引颁着有 限元界发展的趋势，形成强大的分析功能。a n s y s 程序是能够同时分析结构、热、 流体、电磁、声学的高级多物理场耦合分析程序，先进的多物理场耦合分析技术 在现今世界首屈一指。各独立物理场的分析功能包括各种结构的静动力线性分析、 温度场的稳态或瞬态分析以及相变、计算流体动力学分析、声学分析和电磁分析。 另外还提供目标设计优化、拓扑优化、概率有限元设计、二次开发技术( 参数设 计语言a p d l 、用户图形界面设计语言u 1 d l 以及用户可编程特性u p f s ) 、子结构、 子模型、单元生死、疲劳断裂计算等先进技术【”l 。 总结起来，它具有以下主要特点与功能： 1 具有友好的图形用户界面( g i l l ) ( 如图3 1 ) 。 通过g u i 可方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料， 并可一步一步地完成整个分析，因而使a n s y s 易于使用。 一v1，rt 图3 - 1 a n s y s g u i 界面 f i g3 1 a n s y s g u i i m c f f a c e 2 全交互图形 它是a n s y s 程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处 理中检查求解结果都是很重要的。 3 处理器 a n s y s 按功能作用可分为若干个处理器：包括一个前处理器、一个求解器、 两个后处理器、几个辅助处理器如设计优化器等。a n s y s 前处理器用于生成有限 元模型，指定随后求解中所需的选择项；a n s y s 求解器用于施加载荷及边界条件， 然后求解运算；a n s y s 后处理器用于获取并检查求解结果，以对模型做出评价， 进而进行计算。 4 数据库 a n s y s 的数据库，是指在前处理、求解及后处理过程中，a n s y s 保存在内 存中