郭麗娜 張 歷 秦文蔚

(1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 上海 200240；2.中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

SDD7型機車車體的優(yōu)化設(shè)計與試驗研究

郭麗娜1,2張 歷2秦文蔚2

(1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 上海 200240；2.中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

介紹了SDD7型機車車體的優(yōu)化改進設(shè)計，利用有限元仿真工具對車體進行建模，計算分析車體的載荷、應(yīng)力、變形、撓度等，依據(jù)計算結(jié)果提出優(yōu)化改進設(shè)計方案并通過了試驗驗證。

機車車體； 有限元；仿真計算；應(yīng)力值

近幾年國外對內(nèi)燃機車的需求旺盛，中車戚墅堰機車有限公司(以下簡稱戚墅堰公司)出口國外的內(nèi)燃機車呈現(xiàn)逐年增加的局面，但要求也越來越高，主要體現(xiàn)在機車的技術(shù)性能及可靠性方面，因此本文主要研究如何優(yōu)化機車車體的設(shè)計。

1 車體有限元建模

定義優(yōu)化前的車體設(shè)計為SDD7o (SDD7 Original Addition)，優(yōu)化后的車體設(shè)計為SDD7。本次建模計算以待優(yōu)化車型SDD7o機車車體為對象，圖1所示為SDD7o型機車車體幾何模型，參照TB/T 2541—1995《內(nèi)燃、電力機車車體靜強度試驗方法》，通過有限元分析得到機車在3種不同工況下的應(yīng)力分布及形變。

工況及載荷：(1)垂向靜載荷為559 kN；(2)縱向壓縮載荷為2 000 kN；(3)救援載荷為(430+186.2) kN。材料：Q345E鋼，彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服強度σs=345 MPa；垂直載荷工況下的許用應(yīng)力：σ1=0.6σs=207 MPa；其他工況下的許用應(yīng)力：σ2=σs=345 MPa。

圖2為SDD7型機車車體的有限元模型，采用殼單元與梁單元劃分，共591 439個單元，1 311 830個節(jié)點。

圖1 SDD7o型機車車體幾何模型

圖2 SDD7型機車車體有限元模型

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與計算

車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是拓撲優(yōu)化，在SDD7型機車車體設(shè)計中，設(shè)計人員通過拓撲優(yōu)化分析，全面掌握產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特性，對整體和局部具體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,車體司機室前端設(shè)置防撞梁，司機室側(cè)窗采用水平移動開啟結(jié)構(gòu)，間壁采用雙側(cè)結(jié)構(gòu)以提高機車的安全性及隔音效果。車架側(cè)梁采用420 mm×126 mm×10 mm的箱形梁結(jié)構(gòu)，側(cè)梁上平面高出車架上平面40 mm，以保證側(cè)梁與側(cè)壁連接處不積水。側(cè)壁為3 mm耐候鋼材質(zhì)，桁架結(jié)構(gòu)，熱張拉工藝組裝。

車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計從前面SDD7o型機車車體靜強度仿真中的結(jié)果進行推算比較簡便可信，前期SDD7o型機車車體中部集中載荷為60 t，支承跨度為12 100 mm，中部最大撓度為5.95 mm。優(yōu)化后的SDD7型機車與之相比，材料特性升級(彈性模量E=206 800 MPa；泊松比為0.29)，將前旁承的中點和后旁承的中點作為簡支梁的支點,做簡支約束；對整個側(cè)壁約束其橫向位移,即只允許面內(nèi)位移。載荷為機車中部的集中載重與機車中部的自重之和，并乘以動荷系數(shù)1.3后,加在側(cè)梁的中部。其余載荷忽略不計，并認為該載荷所產(chǎn)生的撓度即為車體的撓度。

中部集中載荷P將減少21 t，為前期SDD7o型機車設(shè)計載荷的65% ，支承跨度L與先前SDD7o型車體設(shè)計比較為11 080/12 100=0.916；通過利用對側(cè)壁高度的調(diào)整使整體慣性矩J減少為前期SDD7o型機車的85.5%，兩車的撓度比值應(yīng)為：

=0.65×0.9163×1.170= 0.584

SDD7o型機車中部的最大撓度為5.95 mm，交流傳動機車的撓度f(SDD7)=f(SDD7o)×0.584=3.475 mm。通過計算得出SDD7型機車的撓度范圍應(yīng)在3～5 mm之間。

3 計算結(jié)果及比較

采用I-DEAS 6.0軟件對SDD7o型機車進行計算的結(jié)果與靜強度試驗的結(jié)果比較,變形趨勢合理,數(shù)據(jù)結(jié)果接近,認為該計算結(jié)果可信。從計算結(jié)果看，SDD7型機車的強度和剛度都比SDD7o型機車的好，如表1所示。

表1 計算結(jié)果比較

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的分析結(jié)果

優(yōu)化后SDD7型機車在垂直工況下的最大應(yīng)力為108 MPa，動力室區(qū)域許用應(yīng)力為207 MPa，最大變形為7 mm；壓縮工況下的最大應(yīng)力為238 MPa，司機室前端下部許用應(yīng)力為345 MPa，最大變形為24 mm；救援工況下的最大應(yīng)力為53 MPa，加載轉(zhuǎn)向架重量的一端許用壓力為345 MPa，最大變形為8 mm。即3種工況下車體強度均滿足要求。

5 試驗結(jié)果的分析處理

機車車體經(jīng)設(shè)計制造完成后，戚墅堰公司委托鐵路總公司產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(以下簡稱鐵路總公司質(zhì)檢中心)機車車輛檢驗站參照TB/T 2541—2010《機車車體靜強度試驗規(guī)范》,對SDD7型內(nèi)燃機車車體鋼結(jié)構(gòu)進行垂向載荷、縱向壓縮載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、救援載荷、縱向拉伸載荷和司機室安全壓力載荷的靜強度試驗如圖3所示。

根據(jù)SDD7型機車設(shè)計，作出試驗測點布置方案，采用激光跟蹤儀進行位移測量，位移測點布置位置由鐵路總公司質(zhì)量檢驗中心和戚墅堰公司協(xié)商確定，應(yīng)力測點數(shù)量共有102個，其中三向應(yīng)力測點12個，單向應(yīng)力測點90個(見圖4)。

根據(jù)上述布置測點測得試驗結(jié)果后進行如下分析計算：

由于應(yīng)力測點所測得的數(shù)據(jù)是應(yīng)變值，根據(jù)彈性力學(xué)的虎克定律計算求得應(yīng)力。

對于單向應(yīng)變片測點，其應(yīng)力δ按下式計算：

δ=E·ε(ε為各測點值)

對于三向直角應(yīng)變花測點可由其3個應(yīng)變值按下式求出主應(yīng)力值:

圖3 車體試驗

圖4 試驗測點布置示意圖

式中：δmax、δmin分別為主應(yīng)力最大值、最小值，MPa；μ為泊松比，一般取μ=0.3;E為彈性模量，MPa;ε0為0°方向應(yīng)變片的應(yīng)變值；ε45為與ε0方向成45°的應(yīng)變片的應(yīng)變值，ε90為與ε0方向成90°的應(yīng)變片的應(yīng)變值。

應(yīng)變片應(yīng)力值取為：δ*=δmax-δmin

垂向載荷試驗和扭轉(zhuǎn)載荷試驗的評定標(biāo)準(zhǔn): 單向應(yīng)變片應(yīng)力值小于[δ]1，三向應(yīng)變片應(yīng)力值小于[δ]1，[δ]1表示材料許用應(yīng)力。

縱向壓縮載荷試驗、縱向拉伸載荷試驗、司機室安全壓力試驗、救援強度試驗(單頭起吊)：單向應(yīng)變片應(yīng)力值小于δs,三向應(yīng)變片應(yīng)力值小于δs,δs表示材料的屈服極限。

車體材料為Q345E，許用應(yīng)力[δ]1為207MPa，屈服極限δs為345MPa。

6 試驗結(jié)論

對鐵路總公司質(zhì)檢中心機車車輛檢驗站的試驗數(shù)據(jù)進行了分析，檢驗項目縱向拉伸試驗、縱向壓縮試驗、救援試驗、司機室安全壓力試驗工況中各應(yīng)力測點的應(yīng)力值均小于其位置的材料屈服極限，檢驗項目垂直試驗、扭轉(zhuǎn)試驗工況中各應(yīng)力測點的應(yīng)力值均小于其位置的許用應(yīng)力，車體鋼結(jié)構(gòu)的靜強度滿足TB/T2541—2010《機車車體靜強度試驗規(guī)范》和《××××型內(nèi)燃機車車體靜強度試驗大綱》的要求。

7 結(jié)語

優(yōu)化改進后的機車車體完全能夠滿足使用要求，為戚墅堰公司的機車出口業(yè)務(wù)提供了技術(shù)保障，具有一定的運用價值。

目前，改進設(shè)計后的車體已經(jīng)批量制造運用，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，運用效果良好，客戶滿意。□

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)02-0004-03

2015-07-27

作者信息：郭麗娜(1984-)，女，大學(xué)本科，工程師，從事價格管理工作。

U260.32

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