载重100吨铝合金煤炭漏斗车车体强度及疲劳寿命分析

谢亮

摘 要：文章主要介绍了载重100吨铝合金煤炭漏斗车的主要结构、技术参数，并对漏斗车的车体结构进行了模态分析及疲劳寿命分析，分析结果表明该车体结构疲劳寿命满足相关标准及规范的要求。

关键词：漏斗车车体；有限元；强度分析；疲劳寿命分析

1 概述

随着国内铁路货车市场的飞速发展，为了提高铁路煤炭的运输效率，实现装卸作业的自动化，研制大轴重自卸煤炭漏斗车，有相当重要的经济意义。本文将介绍载重100吨铝合金煤炭漏斗车车体限元结构、疲劳寿命分析计算。

2 车辆主要技术性能参数及基本尺寸

该车在国内轨距为1435mm的标准线路上运行，用于煤炭的运输，也可用于既有线路的散粒货物装运。载重100吨铝合金煤炭漏斗车主要技术参数。轨距1435mm，自重≤20t载重100t，轴重30t自重系数≤0.2，容积115m3，最高运行速度100km/h，曲线通过半径145m，紧急制动距离≤1400m。

3 建立车体力学模型

3.1 车体力学模型

车体结构强度分析采用有限元分析软件ANSYS 11.0[1]，由于该车车体結构对于其横向和纵向中央截面对称，利用结构的对称性准则，按TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》[2]静态分析时取其1/4结构建立有限元模型，如图1所示。

3.2 模态分析

取整车车体进行自由模态分析，计算得到的模态结果如表1所列。在1阶、2阶、3阶、4阶、5阶时，对应的频率（Hz）分别为：

9.22、15.31、15.83、18.54、18.61，振型分别为：侧墙端部横向变形、侧墙端部横向变形、漏斗隔板弯曲、漏斗隔板弯曲、漏斗隔板弯曲。

4 车体疲劳寿命分析

4.1 疲劳载荷与寿命估算方法

根据铁科技[2012]154号文下发的《大轴重铁路货车总体技术条件（暂行）》，载重100吨级铝合金煤炭漏斗车车体使用寿命应在500万公里以上。本文参照AAR标准M-1001，2007“货车设计制造规范”第7章“货车的疲劳设计”（以下简称《疲劳设计》）中的载重90.7t开口漏斗车的载荷谱及标准“BS EN 1993-1-9：2005 Eurocode 3： 钢结构设计规范”中有关材料疲劳性能数据，估算车体各部位在垂向、扭转及纵向疲劳载荷谱作用下的疲劳寿命。考虑所有载荷下车体结构的疲劳损伤情况，对车体结构的疲劳强度进行综合评价。

4.2 有限元模型

4.2.1 模型简化及单元划分

根据对称性，取1/4或1/2个车体结构进行有限元建模分析（见图1）。由于薄板理论的实用性，因此采用壳单元取每块板的中性层建立该漏斗车有限元分析模型，同时忽略所有非承载结构。采用Hypermesh软件进行网格划分，严格控制网格划分的质量，以保证获得精确的变形、高的应力区域以及应力梯度分布。采用梁单元和单向弹簧元模拟转向架与车体之间的联接。车体1/4有限元模型统计数据，NODE：106060，SHELL181：97374，BEAM4：803，COMBIN14：1。

4.2.2 约束设置

根据车体受力情况在模型中施加相应的垂向、横向及纵向位移约束。由于对称性，在相应的对称面上施加对称或反对称约束，心盘处加垂向弹性约束。模型中坐标轴的方向为：车体纵向为X轴，横向为Z轴，垂向为Y轴。

4.3 疲劳寿命估算结果

首先进行车体在垂向心盘载荷100t、纵向100t拉伸载荷和纵向100t压缩载荷、扭转40kN·m载荷和36t旁承载荷工况下的有限元应力分析，得出这些参考应力后，参照相应的标准建议给出的，如表1所示的疲劳寿命评价部位的典型疲劳性能参数，对车体进行各分力谱下的疲劳损伤估算，最后折算出疲劳寿命（运用公里数），结果见表1。

5 结束语

综上所述，载重100吨级铝合金煤炭漏斗车车体各部位的疲劳寿命均大于500万公里的设计寿命要求，通过车体疲劳寿命计算分析，尽量避免了焊缝质量较差位置的疲劳寿命过低的情况，载重100吨铝合金煤炭漏斗车车体结构静强度和刚度及疲劳寿命满足《规范》和《技术条件》的要求。

参考文献

[1]AAR Manual of Standards and Recommended Practices， Sec-tion C， ParⅡ-Design，Fabrication，and Construction of Freight Cars， Chapter 4 Design， 2010.

[2]TB/T 1335-1996.铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].

[3]严隽耄，傅茂海.车辆工程（第三版）[M].北京：中国铁道出版社，2009.