基于有限元法的车架仿真分析与试验研究

黄丽芳，尹晓春，姜亮，肖欣

(南京理工大学 理学院，江苏 南京 210094)

0 引言

炼钢厂的钢包车用于将钢水包运输到精炼车间或连铸生产线。由于钢水包内装载着高温液态钢水，一旦在运输过程出现转向失灵或者车体断裂，极可能导致盛装钢水的钢包倾翻，造成严重的安全事故[1]。因此，提高钢包车的结构可靠性，降低钢包车的损坏，是钢包车设计的主要任务，具有重要的工程意义。

某钢厂5号250 t钢包车于2012年投入生产。使用中，车体两侧出现了长约1 m的裂缝(图1和图2黑线)，开裂位置位于传动侧距轨面标高1.51 m、与贯穿横板焊接的东、西两侧立板焊缝处。在原始设计中，钢包车车体的最大计算应力为245MPa，位于台车中部。实际断裂处的设计应力约为50MPa，断裂处计算的应力约为屈服强度的1/7，安全系数足够。而在实际工作中，断裂位置与设计计算不符。因此，需要进行精确的三维有限元分析，重新校核强度，找到开裂原因，进而提出结构优化的设计方案，修复结构，并使修复后的钢包车满足安全生产要求。

图1 现场车体西侧开裂处

图2 现场车体东侧开裂处

1 钢包车结构与材料

钢包车与钢包整体结构是由车架整体与钢包、钢水组成，其中钢包与钢水作为辅助结构，用于验证钢包车结构的可靠性与稳定性。钢包车主要由弹簧支座(用于放置钢包)、车架体、盖板、车轮组(包括从动车轮和主动车轮)、溜槽等结构组成。该钢包车为全钢焊接的空间结构，体积庞大，吨位重，车体承受钢水包质量和自质量、运输过程的冲击与振动以及可能的温度载荷。

车体长12.57 m、宽6.15 m、高(含钢水罐)5.75 m，体积68.197 m3，总质量535.35 t。钢包车车架材料为Q345-B，密度ρ=7 850kg/m3，弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3。各种规格材料主要设计参数见表1。

表1 Q345-B许用应力一览表

2 有限元理论基础

钢包车车架的静态特征主要体现在车架结构的静刚度上。静刚度是结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，一般用结构在静载荷作用下的变形情况来衡量。分析车架结构静刚度的主要目的是：

1)避免车架上其他功能部件工作时由于过大的变形产生干涉现象，导致钢包倾覆；

2)保证钢包车不会因刚度不足等原因明显地影响浇铸设备之间的连接。

在已知外载和各节点的约束条件下，就可以得到各节点的位移δ、应变ε及应力σ。对钢包车结构采用8节点实体单元进行三维建模，能够准确体现车架的应力变化情况和位移变化情况[2]。

8节点实体单元的几何矩阵是[3]

B=[B1B2B3…B8]

(1)

式中

根据形函数的定义可以发现，形函数的计算精度与单元体的尺寸有关。竖向隔板和横向垫板之间的垂直焊接处存在应力集中现象，该处应力场变化剧烈。因此为了提高计算结果准确性，在网格划分的处理上，缩小该部位的网格尺寸，即该部位网格加密，使载荷准确传递，并提高计算结果准确性。

8节点实体单元的形函数表示为

其中i=1,2，…，8。

应力矩阵为

S=D×[B1B2B3…B8]

(2)

式中：

式中：μ为泊松比；E为弹性模量。

其中：Be{σ}e={ε},Se{σ}e={δ}，按照虚功原理方程为

∭{ε}T{σ}dxdydz={ε}T{R}e

(3)

有单元刚度矩阵为

(4)

通过单元刚度矩阵可得整体刚度矩阵K，整体刚度矩阵方程为

K{σ}={R}

(5)

3 有限元仿真

3.1 建立几何模型

模型的建立，一方面要尽量保留原实体结构的细节，反映局部危险部位对车架应力的影响，另一方面，为减少有限元计算量，亦需要对危险部位进行结构简化[4]。采用SolidWorks建立几何模型，在满足分析要求的前提下，对现有结构的一些零件进行简化，忽略小零件的作用。根据钢包车整体图样的设计，主要简化了盖板和车轮组，去掉了溜槽部位。简化后的整体主要由钢包、弹簧座、车轮组和车架组成。图3为经过简化后的钢包车模型。

图3 车体几何模型

3.2 划分网格

在车架结构的有限元模型建立所选择的单元类型中，早期时主要采用壳单元进行结构离散，但壳单元的有限元模型计算的结果误差较大，并对复杂结构的模拟能力有限[5]。现在主要选择8节点实体单元进行有限元网格划分，8节点实体单元(Solid 185)对应力传递和结构变形都能够准确表述，并且加上荷载后，能够模拟实际工况中可能出现的变形情况[6]。根据网格划分的规则[7]，保证计算的准确性：1)在应力分布均匀处进行规则离散；2)在与车轮组连接的不规则处进行手动过渡，保证网格疏密有致；3)在实际工况中断裂部位加密网格划分；4)有效地控制总体网格数目和质量。图4显示了开裂部位周围的网格划分。

图4 开裂周边网格分布

3.3 边界条件

由于钢包车在运行过程中，主要承担的是钢包与钢水及其自身的静力作用。主要有3个约束条件：1)实际情况中钢包是可以脱离钢包车的，因此弹簧支座与钢包之间建立接触约束，约束钢包在Z方向(即宽度方向)的位移；2)在车轮组处，轴轮与大车轮外壳两组结构建立接触约束，车轮组与车架之间建立刚性连接；3)为了准确地模拟钢包车在运行时的受力与变形，将车轮组放置在轨道上，建立接触约束，并对轨道底面施加完全约束。主要约束位置如图5所示。

图5 边界约束布置

3.4 施加荷载

钢包车荷载参数见表2。

表2 钢包车荷载参数 单位：t

在分析钢包车的结构强度时，考虑了在各种工况中的受力情况。本文展示了对其中最危险的一种工况的分析，即考虑作用在钢包车上的所有荷载。荷载的传力路线主要是：钢包和钢水的质量最初施加在车架的弹簧支座处，随后再由弹簧支座通过刚性连接传递给车架其他部分，最后通过车架整体与车轮组的刚性连接传递至车轮组及轨道上。

根据《YB/T4224—2010冶金用钢水罐车和铁水罐车技术规范》 行业标准，初步设计计算只选择最恶劣的工况，即钢包满载时垂直冲击工况，并且考虑钢包车在运行过程中的横向冲击荷载[8]：F(竖向模型施加载荷)=G(满载钢包自质量载荷)×h(动载冲击系数)=250×1.5=375t。将375t的竖向模型施加载荷作为面载荷均匀施加在罐座载荷面上，并且在X方向施加1.5m/s2的加速度。将有限元模型导入ANSYS结构静力学分析模块，进行计算。

4 有限元计算结果与分析

4.1 钢包车有限元云图分析

图6显示了车架体的整体应力云图。位于车架体腹板与边部相焊接处，传动侧东侧和西侧各构件交接处，最大应力达到413MPa，超过Q345-B的屈服强度。因此，可以推测传动侧东侧和西侧裂纹是由此处开裂并延展的。在车架传动西侧板，最大应力为557 MPa，在车架传动东侧板，最大应力为489 MPa，两侧最大应力远超Q345-B的屈服强度。由于底部应力传递到竖向隔板，导致竖向隔板和横向垫板之间的垂直焊接处出现了裂缝。图7显示了车架体的整体位移分布。由图可见，中间腹板部分位移最大，车体与车轮组连接处位移最小，车架体的位移分布符合受力情况。根据有限元结果，没有出现车架体发生位移突变现象，虽然车架体表面有局部破裂，但是不影响整体变形。

图6 车架应力分布图

图7 车架位移分布图

钢包车的车架体结构复杂，为了清晰地呈现有限元计算结果，绘制应力分布曲线与位移分布曲线。选取沿X方向具有应力分布代表性的某一直线提取数据，该直线通过东、西侧破裂点。如图8和图9所示(本刊黑白印刷，相关疑问咨询作者)，车架体东、西侧的应力曲线和位移曲线基本吻合，由于车架体的南北方向(X方向)不是对称结构，东西方向(Z方向)为对称结构，在理论计算下，对称结构的应力应变结果也基本对称，证明有限元模型契合实际且可靠。图8显示，车架体应力在车体破损处急剧升高，超过了钢的屈服强度，且明显高于两侧应力，产生了显著的应力梯度。

图8 应力分布曲线图

图9 位移分布曲线图

4.2 钢包车开裂原因

通过现场照片和现场察看可以明显看出：焊缝裂纹沿焊缝方向延伸，焊肉完整但与母材脱离，母材表面完好无撕裂。据此分析，钢包车车体存在未焊透、未熔合等焊接缺陷。未焊透会降低焊缝的疲劳强度，可能使裂纹源造成焊缝破坏。通过有限元模型的计算，发现钢包车在实际使用过程中的开裂部分，与有限元模型计算所得的结果相吻合，即出现裂缝处达到了Q345-B的屈服强度，力从折角连接处传递到了上部焊接处，导致焊接处出现开裂。

4.3 车架结构优化方案

由于现场条件的限制，无法快速地重新设计钢包车，即在无法改变钢包车的长、宽、高的情况下，初步按照以下步骤对现有损坏的钢包车进行调整[9]：

1)将损坏部位去除，包括部分贯穿横板和裂纹处的上部部分钢板；

2)上部钢板(立板厚度为50mm，中间增加抗弯人字筋)按图样要求预制好，将与原贯穿横板及中部连接梁等结合部位处打剖口。添加构件具体部位如图10所示，钢板结构尺寸如图11所示；

图10 优化添加的构件

图11 加固构件结构图

3)与原车体焊接，剖口处必须焊透，焊后超声波探伤检查；

4)新焊接部位去应力处理。

结构优化后，相同约束条件和冲击荷载下，车架东西侧板部位的最大应力从413 MPa降低至180 MPa左右(图12-图13)。通过添加构件的优化方式，极大地提高了车架的承载能力。

图12 优化后西侧局部应力图

图13 优化后东侧局部应力图

5 结语

1)结合某钢厂的实际工况，有限元分析结果与现场实际工况一致，表明有限元模型准确可靠，计算结果真实可信。有限元分析表明，在实际工况下，钢包车整体位移分布无异常，局部破裂处位移没有突变。局部应力突然变大，应力梯度明显，符合现场破损情况。

2)基于钢包车的应力和应变分析，对车体结构进行优化，使局部应力从400MPa下降至180MPa左右，证明该优化方案符合结构设计要求，结构优化过程操作简单，经济性良好。

3)车体的有限元建模方法适用于各种大型结构件，能够准确分析车体的强度和刚度性能，为车体设计、校核与优化提供可靠的理论依据。