铁道货运棚车复合材料地板的结构设计及其有限元分析

王 荟，曾黎明

(1.武汉理工大学复合材料系，武汉 430070)(2.华南理工大学高分子系，广州 510641)

铁道货运棚车复合材料地板的结构设计及其有限元分析

王 荟1,2，曾黎明1*

(1.武汉理工大学复合材料系，武汉 430070)(2.华南理工大学高分子系，广州 510641)

货运棚车；复合材料地板；防滑设计；中空结构；结构设计；ANSYS

1 铁道货运棚车地板的设计背景

20世纪80年代，我国铁道货运棚车，多采用木质地板，木质地板与装载货物之间具有较高的摩擦因数，能比较方便地对所装载货物进行安全加固。但是木质地板的抗老化能力差，耐久性不足。一般铁道货运棚车厂修期为5～6年，厂修时原车木质地板破损严重，大多需要更新，因此，用于棚车厂修的木材消耗量非常可观[1]。

20世纪90年代，竹胶板作为木质地板的替代品成功地在棚式货车上推广应用(P64A型棚车等车型采用厚30 mm的竹胶板作为地板)，在一定程度上解决了木材供应不足的问题。由于竹胶板硬度较低，不耐冲撞，在装运货物的过程中容易破裂，存在安全隐患。此外，竹胶板的密度较大(0.95 g/cm3～1.3 g/cm3)[2]，若增厚竹胶板来增加安全系数，则会给车辆带来较大自重。

P70型棚车是一种采用新技术、新工艺制造的新型通用棚车，该车装用新型竹木复合层积材地板。竹木复合层积材是一种竹材与木材的复合材料，该材料理论上具有表面强度大、硬度高、耐磨损、耐腐蚀而中间层较软的特性，用作铁路货车地板时可替代传统的竹胶板使用。但装用竹木复合层积材地板的P70型棚车自制造出厂和段修后，在运用较短的时间内就发生了地板破损故障，且故障车数量较多，直接影响了货物运输和行车安全[3]。

由于现有的铁道货运棚车地板不能满足使用要求，有关方面提出用新材料地板来代替竹胶板和竹木复合层积材地板的需求。纤维增强复合材料具有轻质高强、耐低温、耐冲撞、耐腐蚀等优异性能，并且具有独特的可设计性，是制作货运棚车地板比较理想的材料。

从成型工艺的角度考虑用复合材料制造铁道货运棚车地板的可行性：铁道货运棚车复合材料地板可以采用拉挤工艺成型。拉挤工艺是采用牵引技术把树脂、增强材料及添加剂等组分通过复合、成型及固化等过程制成连续长度的增强塑料型材的成型工艺。只需依据地板结构要求开出相匹配的模具，拉挤设备就可以自动连续地生产纤维增强塑料地板型材[4]，且拉挤工艺具有产品性能稳定，投资成本低，生产效率高等优点。拉挤工艺是铁道货运棚车复合材料地板成型的保障之一。

图1 玻璃纤维增强复合材料地板的等轴侧局部放大图

2 铁道货运棚车复合材料地板的特点

铁道货运棚车复合材料地板(图1)具有以下特点：

(1)铁道货运棚车复合材料地板的设计充分利用了复合材料的力学可设计性，在保障地板强度和刚度要求的前提下，采用独特的中空结构设计，降低地板自重，使其表观密度降低至1.1 g/cm3及以下，克服了竹胶板的密度较大带来的问题。

(2)铁道货运棚车复合材料地板破损安全性好，不会像竹胶板等材料一样突然发生破坏，而是需要经历基体损伤、开裂、界面脱粘、纤维断裂等一系列过程。当地板超载并有少量纤维断裂时，载荷会通过基体的传递迅速重新分配到未破坏的纤维上去，这样短期内不至于使整个地板丧失承载能力[5]，便于在地板材料完全破坏之前，做出应对。

(3)铁道货运棚车复合材料地板采用较为稳定的拉挤成型工艺，不仅能够保障其使用性能，更能够实现连续生产，提高效率。此外，采用拉挤工艺成型的复合材料板材，纤维体积分数(含量)可达70%以上，其强度和模量远高于其他工艺成型产品。所以，铁道货运棚车复合材料地板的力学性能和稳定性较好，不会像竹木复合层积材地板一样在运用较短的时间内就发生地板破损故障。

(4)铁道货运棚车复合材料地板耐热、耐冲击、耐化学腐蚀性好，且其阻尼减震性能优异，其结构一般不易产生共振，能应对铁路棚车复杂的使用环境。

基于复合材料比强度高、比模量大、耐疲劳性好、破损安全性好、耐高低温性、耐腐蚀及独特的力学可设计性等优点，铁道货运棚车采用耐疲劳性好、耐久性佳的复合材料地板，具有长远经济效益。

3 铁道货运棚车复合材料地板的结构设计

3.1 地板整体设计依据与规范

依据铁道部门提供的P70型铁道货运棚车的车体参数来进行地板设计：

参考P70型棚车现用的竹木复合板的尺寸参数作为设计依据：

3.2 铁道货运棚车复合材料地板的防滑设计

调研了现有地板的防滑齿型设计，有U型槽和V型槽两种。从便于成型加工及减少槽边缘磨损的角度考虑，选择如图2所示的V型槽。V型槽的尺寸参照现有地板防滑齿槽的尺寸得到：槽截面：等边三角形，齿槽深：0.9 mm，齿槽中心距：4.38 mm。

图2 地板V型齿

3.3 铁道货运棚车复合材料地板的中空结构设计

设计依据：地板的表观密度≤1.1 g/cm3，此外，考虑到减小拉挤过程中所需牵引力，初定孔隙形状为圆孔，初定在地板横截面上开9孔。

地板长：279 cm宽度：26.6 cm厚度为3.09 cm(防滑齿高0.09 cm)

地板的表观密度：ρ1=1.1 g/cm3实际密度：ρ2=1.8 g/cm3

表观体积：V1=279×26.6×3.09=2.29×104cm3

实际质量：M2=ρ1V1=2.52×104g

实际体积：V2=M2/ρ2=1.40×104cm3

设圆孔半径为R，则：(26.6 cm×3.09 cm- 9πR2)×279 cm=1.40×104cm3

R=1.06 cm=10.63 mm

故，为保证地板的表观密度至少为1.1 g/cm3，圆孔半径必须大于等于10.63 mm。

考虑到地板上表面直接与货物或叉车轮胎接触，可能在受到某些集中载荷时，产生局部屈曲，为避免上表面产生应力集中，故暂定将圆孔下移1 mm，即上表面的最小厚度为5.37 mm，下表面的最小厚度为3.37 mm。地板截面示意图如图3所示。

图3 地板截面示意图

3.4 基于ANSYS14.5的单元梁的弯曲强度、刚度校核

3.4.1 地板有限元模型的建立

有限元模型的建立方法可分为：直接法和间接法。直接法：直接根据机械结构的几何外型建立节点和单元，因此直接法只适应于简单的机械结构系统。间接法：适用于具有复杂几何外型、节点及单元数目较多的机械结构系统。该方法通过点、线、面、体，先建立实体模型，再进行网格划分，以完成有限元模型的建立。

地板模型的建立采用间接法建模。先通过点、线的设定，建立地板单元的截面模型，选择plane82单元，进行面网格划分(图4)。再采用拉伸的方式得到实体地板单元(图5)，并选择SOLID46单元划分体网格，在拉伸方向划分50等分(图6)。由于本文的复合材料为单向层合板，在ANSYS中选择SOLID46层合单元后，在实常数选项当中定义层合单元为一层，铺设角度为0°，厚度为30 mm。材料属性选择线弹性各向异性，并输入所采用的E玻璃纤维/不饱和聚酯树脂的各个方向的弹性模量、剪切模量和泊松比(图7)。

图4 地板截面网格划分

图5 地板实体模型

3.4.2 第一工况下，地板模型约束及求解设置

第一工况是指铁道货运棚车地板在满载情况下，承受的垂直静载荷和垂直动载荷的总和。P70型棚车，满载情况下的垂直静载荷为70 t，垂直动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数得来。垂向动载荷系数取0.3，垂向动载荷为21 t，垂向总载荷为91 t，单位面积载荷为:91 t/ (16.1 m×2.8 m)=2.019 t/m2。

图6 地板实体网格划分

T1TemperaturesEX4e9EY4e9EZ28e9PRXY0．38PRYZ0．086PRXZ0．086GXY1．5e9GYZ2．4e9GXZ2．4e9

图7 地板材料参数

在ANSYS中模型的约束可作如下方式的等效：(1)由于地板模型长度为453 mm，为简化模型建模时只拉伸了226.5 mm，故应在地板一个截面上加一个对称载荷。(2)地板单元的支撑方式为四边简支，故还应该在地板下表面的其他三边，加载垂直方向(即Y方向)的位移约束。

对于求解选项的定义，尽量使时间步长小，时间步长取值太大会破坏接触力的光滑传递，本文采取最简便的方法来定义时间步长，即打开自动时间步长选项[6]。

3.4.3 第一工况下，单元梁的应力分析及刚度计算

在地板单元上表面加载第一工况下地板所需承载的压强：2.02×104Pa。求解后得出如图8—9所示地板应力von mises 图。

从图8-9可以看出，地板单元各处的应力分布情况不完全相同。在第一工况下，应力的最大值为9.45 MPa，位于地板中央的5个圆孔的下表面。其次，在地板单元的支撑位置，也承受1.05～2.10 MPa的接触应力。而地板材料的实测极限弯曲强度较大，为537.31 MPa，远远大于第一工况下的最大应力值，所以在第一工况下地板强度满足要求。

图8 地板在第一工况下的应力von mises分布图

图9 地板在第一工况下的应力von mises分布图

图10是地板单元在第一工况下Y方向(垂直方向)上的位移图，由图10可见，地板在第一工况下的最大挠度为0.068 4 mm，位于整个地板单元的中心区域。地板单元的挠度从中心区域向外逐渐变大。以此挠度来计算地板单元的应变为 6.080×10-8，远远小于地板材料的断裂延伸率1%，所以在第一工况下地板刚度满足要求。

图10 地板在第一工况下Y方向上的位移图

3.4.4 第二工况下，单元梁的应力分析及静刚度计算

第二工况是指叉车在地板上行进对地板施加的载荷，每轮20 kN[7]，作用面积：200 mm×200 mm。则叉车作用在地板上的压强为：5×105Pa 。将此压强加载在地板上表面中心100 mm×200 mm的区域内，求解后得出如图11-12所示地板应力von mises 图。

图11 地板在第二工况下的应力von mises分布图

图12 地板在第二工况下的应力von mises分布图

从图11-12可以看出，应力最大的区域是图示的红色区域，即叉车载荷作用的中心区域，最大应力为128 MPa。地板下表面的支撑位置也承受了较大应力，约为99.7 MPa。地板材料的实测弯曲强度为537.31MPa，由于叉车作用在地板上的载荷为临时载荷，安全系数取2，经计算，在第二工况下地板强度满足要求。此外，在加载了较大的叉车载荷时，下表面的应力von mises最大的区域略多于上表面，但是避免了直接与载荷接触的上表面产生局部屈曲，故将地板截面的圆孔下移1 mm，具有合理性。

图13是地板受到叉车载荷时其Y方向(垂直方向)上的位移图，由图13可见，地板在第二工况下的最大挠度为 3.225 mm，位于叉车载荷作用的区域。地板单元的挠度从中心区域向外逐渐变大。以此挠度来计算地板单元的应变为1.352×10-4，小于地板材料的断裂延伸率1%，所以在第二工况下地板刚度也满足要求。

图13 地板在第二工况下Y方向上的位移图

4 铁道货运棚车复合材料地板的连接设计

复合材料连接在复合材料结构设计中占有重要地位。合理的连接设计不但能够满足使用的设计要求，减轻结构质量，而且可以延长结构的使用寿命。复合材料的连接设计在某些场合甚至还可以成为产品设计的关键。否则可能首先在结构连接处产生破坏，甚至造成重大事故[5]。

4.1 地板与支撑梁的连接方式及强度校核

复合材料连接的方法主要分成两大类：即胶接连接和机械连接。铁道货运棚车复合材料地板与支撑梁之间采用机械连接。复合材料的机械连接是指铆接、螺栓连接、销钉连接等。为了装拆和检查方便，地板与支撑梁之间采用螺栓连接。

通过铁道部门提供的棚车底部梁结构图(图14)，来确定螺栓公称直径，进而确定地板开孔尺寸。

地板与支撑梁之间的螺栓连接属于粗装配，经查阅GB/T 5277-1985紧固件螺栓和螺钉通孔[8]可知，与梁上开孔匹配的螺栓公称直径为10 mm，故地板的螺栓孔直径初定为：12 mm。

在地板上开螺栓孔，会造成其局部应力集中，严重时可能使地板破坏。为了校核地板开孔的安全性，利用ANSYS，将棚车端梁和连接梁间的这部分地板(梁间跨距为427 mm)建模，并在对应位置开螺栓孔(孔径D=15 mm)，加载第一工况下的载荷条件，得到地板开孔后的应力von mises分布图，如图15-16所示：

图14 棚车梁结构(左件)示意图和开孔放大图

图15 开孔地板在第一工况下的应力von mises分布图

由图15-16可知，地板开孔位置会产生应力集中，最大应力在螺栓孔的边缘(图示红色区域)，其值为1.25 MPa，远远小于地板材料的实测弯曲强度(537.31 MPa)。故地板开孔位置虽然会产生应力集中，但是不会使地板材料破坏。

4.2 地板与地板间的连接

为使地板安装时，两块地板之间没有缝隙，将地板两端结构设计如图17所示。

在安装时，另一块地板的左端搭接在此块地板的右端，从而使地板与地板之间形成无缝安装，提升地板装配的精确性，也避免因装配缝隙而影响地板整体的美观性。

图16 开孔地板在第一工况下的应力von mises分布放大图

图17 地板两端结构截面图

4.3 地板开孔处的补强设计

螺栓连接存在某些缺陷，螺栓孔切断了纤维，削弱了地板的受力面，会引起应力集中，从而降低了地板的承载能力。虽然通过ANSYS计算可知，即使地板开孔位置产生了应力集中，在第一工况载荷条件下，也不会使地板材料破坏，但是，为减少安全隐患，建议采用定制的空心铆钉，对开孔处补强。翻边后的空心铆钉的截面图如图18所示。

需特别强调的是，GB876-86空心铆钉标准[9]中规定的，公称直径最大的空心铆钉为6 mm。而作为补强用的空心铆钉的公称直径为14 mm。故该铆

钉是非标准件，应重新开模定制。经调研，现在的铆钉生产技术可以生产该种空心铆钉，并有配套的铆钉机。

图18 翻边后的空心铆钉的截面图

空心铆钉的公称直径为14 mm，空心铆钉与地板之间属于粗装配，由GB/T152.1-1988 紧固件-铆钉用通孔标准[10]可得，地板的螺栓孔直径实际直径为15 mm。

5 结 语

(1)依据P70型铁道货运棚车的车体参数，设计了相应的E-玻璃纤维/不饱和聚酯树脂基复合材料地板，其地板截面参数如图19所示。并利用有限元软件ANSYS 14.5建立准确的地板结构模型，分析相关地板参数设置的正确性。经有限元软件模拟分析，最危险的情况是在第二工况下，叉车作用在地板上的压强为：0.5 MPa，叉车载荷作用的中心区域，最大应力为：128 MPa，拉挤成型的板材实测弯曲强度为：537.31 MPa，由于叉车作用在地板上的载荷为临时载荷，安全系数取2，则该参数下的地板强度刚好满足在第二工况下的强度要求：537.31 MPa/2≥128 MPa。

图19 地板截面参数

(2)铁道货运棚车复合材料地板与支撑梁之间采用螺栓连接。螺栓连接虽具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点，但螺栓孔切断了连续纤维，削弱了地板的受力面，会引起应力集中，因此，用ANSYS软件对开孔地板进行受力分析，位于螺栓孔边缘的最大弯曲应力为1.25 MPa，远小于地板材料的实测弯曲强度，从而得知开孔导致的应力集中不会对地板结构产生较大破坏。然而，为减少安全隐患，仍建议采用定制的空心铆钉，对开孔处补强。

采用空心铆钉对地板开孔处进行补强是一种创新设计，它不仅避免了开孔位置的应力集中，更重要的是地板是中空的拉挤型材，在地板表面钻孔，很可能会对地板中起主要承载作用的类“工”字型梁结构造成破坏，造成整块地板的刚度下降，而采用空心铆钉镶嵌在开孔处，能提升地板整体刚度，弥补开孔引起的地板刚度损失。

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[8] GB/T 5277-1985．紧固件 螺栓和螺钉通孔[S]．1985.

[9] GB876-86．空心铆钉标准[S]．1986.

[10] GB/T152.1-1988．紧固件-铆钉用通孔标准[S]．1988.

The Structure Design and Finite Element Analysis of Railway Freight Boxcars Composite Floor

WANG Hui1,2，ZENG Liming1

(1.Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070) (2.South China University of Technology, Guangzhou, 510641)

freight boxcars；composite floor；anti-slip design；hollow structure；structure design；ANSYS

2015-05-19)

王荟(1991-)，女，湖北人，硕士研究生。研究方向：聚合物基复合材料。 E-mail：15527012010@163.com.

曾黎明(1952-)，男，湖北人，教授。研究方向：功能复合材料。电话：13871436020， E-mail：lmzeng@whut.edu.cn.