ANSYS在大型內(nèi)燃機機車車體結(jié)構(gòu)計算分析應(yīng)用

1 概述

為適應(yīng)我國鐵路貨運提速重載要求,擬研制裝用大功率內(nèi)燃機的重載機車。該機車車體采用整體承載式結(jié)構(gòu),與當(dāng)前通用的內(nèi)燃機車車體(如東風(fēng)8B 機車車體)相比,該機車車體中部承受的柴油機、電機等部件的重量增加了許多,且底架兩端旁承組中心距拉大。作為機車的主要承載結(jié)構(gòu),車體鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是該機車研制工作中的主要任務(wù),車體鋼結(jié)構(gòu)必須在滿足車體強度、剛度要求下實現(xiàn)輕量化設(shè)計,以滿足機車的軸重要求。為了指導(dǎo)并實現(xiàn)車體鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,我們采用大型有限元分析軟件ANSYS,在完成前期許多類比、優(yōu)化計算的基礎(chǔ)上,再次對該機車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了計算、改進、優(yōu)化減重分析。

2 車體結(jié)構(gòu)簡介

機車車體由司機室、頂蓋、側(cè)墻、底架、間壁等部分組成,是機車的主要承載結(jié)構(gòu)。機車在運用時,車體結(jié)構(gòu)除要承受上部設(shè)備作用的垂向載荷外,還要承受牽引力、橫向力以及可能遇到的數(shù)值很大的縱向拉伸、縱向壓縮等載荷,為保證車體鋼結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求,車體的關(guān)鍵承載部位如底架的柴油機梁、旁承梁、主發(fā)梁、邊梁、牽引梁、橫梁,側(cè)墻的上弦梁、立柱,司機室立柱,頂蓋主要承載梁等均采用了由鋼板、鋼板折彎件、槽鋼等焊接而成的閉口組合截面結(jié)構(gòu);車體側(cè)墻采用了由側(cè)墻立柱、上弦梁、交叉斜撐組成的桁框組合結(jié)構(gòu);車體底架牽引梁和底架邊梁之間連有箱形牽引斜撐,以保證數(shù)值很大的牽引載荷、拉伸載荷、壓縮載荷等縱向載荷有效地通過前后從板座、牽引梁、牽引斜撐傳遞到旁承梁和底架邊梁,進而傳遞到整個車體;車體司機室、頂蓋、側(cè)墻、底架、間壁各部分相互焊連在一起,使車體成為整體承載式車體。在采用整體式油箱情況下,車體底架中部焊接有油箱,使車體與油箱共同承載。

3 計算模型的建立

車體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大,其結(jié)構(gòu)及所受載荷均不具有嚴(yán)格的對稱性,為了準(zhǔn)確模擬車體的結(jié)構(gòu)特點并使計算結(jié)果反映車體的工作性能,建立了車體的整車模型進行計算分析,計算模型中對車體的主要承載結(jié)構(gòu)、主要承載部位均作了仔細(xì)的模擬。為使車體原結(jié)構(gòu)、改進結(jié)構(gòu)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果具有對應(yīng)性、可比性,建立模型時采用的實體建模方法、網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格大小疏密控制參數(shù)完全一樣。為了完成車體的優(yōu)化計算工作,建立計算模型時充分應(yīng)用了ANSYS 軟件的程序化、參數(shù)化、模塊化等技術(shù)。

    圖1 車體原結(jié)構(gòu)(整體式油箱方案)計算用有限元模型

圖1 為建立的原結(jié)構(gòu)車體計算用有限元模型。為保證計算精度并提高計算效率,模型中用ANSYS 軟件的Shell63 殼單元模擬車體的鋼板結(jié)構(gòu);模型中根據(jù)車體上部設(shè)備的安裝情況,將各上部設(shè)備用作用在其安裝部位的Mass21 質(zhì)量單元來模擬;機車的二系簧則用Combin14彈簧單元模擬,彈簧單元剛度按機車在整備狀態(tài)下靜撓度為10mm 考慮。計算用有限元模型中共有殼單元103098 個,質(zhì)量單元8832 個,彈簧單元96 個,單元節(jié)點95181 個。根據(jù)車體鋼結(jié)構(gòu)的材料,計算用有限元模型中采用的材料參數(shù)為:彈性模量E=210GPa,泊桑比ν=0.3,密度ρ=7850kg/mm3,計算用有限元模型的質(zhì)量為20350kg。

4 車體計算載荷、計算工況、邊界條件、計算結(jié)果評定

根據(jù)機車不同的運用要求,本次分析參照TB/T2541-1995《內(nèi)燃、電力機車車體靜強度試驗方法》、TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》、GB3314《內(nèi)燃機車通用技術(shù)條件》等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),確定了車體計算工況、計算結(jié)果要求。

    4.1 計算工況

    計算工況有:垂直靜載工況;垂直動載工況;正向運行牽引工況;反向運行牽引工況;正向起動牽引工況;1960KN 縱向壓縮工況;1470KN 縱向拉伸工況;整體起吊工況;一位救援吊工況;二位救援吊工況;司機室保護工況 ;模態(tài)頻率計算;

    4.2 計算結(jié)果評定

靜強度許用應(yīng)力

車體鋼結(jié)構(gòu)的材料,主要承載部位為Q345A,其強度指標(biāo)為:屈服強度σs≥345MPa,抗拉強度σb=470~630MPa。

各工況的許用應(yīng)力選取如下:

垂直靜載工況:安全系數(shù)取2.5,許用應(yīng)力[σ]=138MPa;

垂直動載、運行牽引等工況:安全系數(shù)取1.5,許用應(yīng)力為[σ]=230MPa;

起動牽引、縱向拉伸、縱向壓縮、救援吊、司機室保護等工況:安全系數(shù)均取1.0,許用應(yīng)力[σ]=345MPa。

5 車體結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化分析

對車體進行結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化分析的目的是在滿足車體結(jié)構(gòu)的強度、剛度、模態(tài)頻率等要求下,確定車體的最佳輕量化設(shè)計方案。此次優(yōu)化分析采用了設(shè)計優(yōu)化分析技術(shù),對改進結(jié)構(gòu)車體進行了減重優(yōu)化分析。優(yōu)化分析的結(jié)果盡可能地保證車體結(jié)構(gòu)的減重要求,又體現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的模塊化特點。

    5.1 設(shè)計優(yōu)化方法介紹

對機車車體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化,目標(biāo)是確定在滿足車體結(jié)構(gòu)的強度、剛度、模態(tài)頻率要求這一條件下,車體重量為最小值時的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù),為車體結(jié)構(gòu)減重設(shè)計提供參考和指導(dǎo)。

為保證車體優(yōu)化計算的有效性、可行性,根據(jù)前期車體改進結(jié)構(gòu)方案的分析結(jié)果及設(shè)計需要,本次優(yōu)化分析選取垂直靜載和1960KN 縱向壓縮兩種典型工況進行,確定優(yōu)化方案,再對優(yōu)化方案的車體進行強度、剛度、模態(tài)頻率校核。

對車體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化時采用的參數(shù)和約束條件為:

目標(biāo)函數(shù)(OBJ):選擇車體結(jié)構(gòu)的重量為目標(biāo)函數(shù),設(shè)計優(yōu)化的目標(biāo)是使車體重量取最小值,即使車體重量最輕。

狀態(tài)變量(SVs):選擇車體結(jié)構(gòu)在計算工況下的最大應(yīng)力值作為狀態(tài)變量。對車體在垂直靜載工況下進行設(shè)計優(yōu)化,狀態(tài)變量為車體結(jié)構(gòu)BOTTOM 面的最大應(yīng)力值SVs1,以及底架邊梁中部相對于機車每端二系旁承組中心的最大撓度SVs2;對車體在1960KN 縱向壓縮工況進行設(shè)計優(yōu)化,狀態(tài)變量為車體結(jié)構(gòu)BOTTOM 面的最大應(yīng)力值SVs1。

約束條件:就是設(shè)計優(yōu)化中的最大應(yīng)力、最大撓度不超過計算標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的許用值。對車體在垂直靜載工況下進行設(shè)計優(yōu)化,要求SVs1〈138MPa、SVs2〈6.68mm;對1960KN 縱向壓縮工況的設(shè)計優(yōu)化,要求SVs1〈345MPa。

設(shè)計變量(DVs):設(shè)計變量的選用力求滿足車體結(jié)構(gòu)的模塊化、輕量化設(shè)計要求,如對柴油機安裝梁、柴油機梁、旁承梁、牽引梁部件,將其上蓋板、側(cè)板、下蓋板厚度分別用一個變量表示;對不同的底架橫梁、不同部分的側(cè)墻彎板、不同部分的側(cè)墻斜撐,均分別用不同變量表示其厚度;對側(cè)墻立柱、底架小梁、頂蓋大梁、底架地板、底架邊梁、底架端部、牽引斜撐梁、主發(fā)梁等部件,則分別將部件板厚統(tǒng)一用一個變量表示。設(shè)計優(yōu)化中選用的設(shè)計變量及其值所代表的部位對應(yīng)情況如表1 示。