机车车体典型焊接接头应力分析

刘斌

摘要：目前，重载机车车体牵引梁与中梁过渡区域的焊接接头，存在着理论分析不一致于试验结果的现象。为解决此类问题，本文围绕重载电力机车车体车体牵引梁与中梁过渡区域典型焊接接头，采取两种离散模拟方式，分别为壳单元和实体单元，通过模拟试验并与理论对比分析。实验目的為分析两种离散模拟对典型焊接接头应力分布的影响。试验结果表明实体单元模拟典型焊接接头区域具备较高的计算精度，而模拟典型焊接接头应力分布方面相较于壳单元，可呈现良好的应力集中效应。

关键词：机车车体;典型焊接接头;单元类型;应力分析;有限元法

引言

机车车体作为列车的主体机构，主要作用在于为机车整体传递纵向牵引力以及制动力。车体的寿命与纵向承载力有着密切的关联，目前，重载电力机车车体结构中焊接结构的强度备受重视，因此采用有限元仿真模拟的形式，比较壳单元与实体单元对典型焊接接头结构有限元分析结果的影响，优化典型焊接接头结构，为车体车体结构的静强度保驾护航。

一、结构强度分析原理

（一）焊缝接头有限元模型处理

本文焊缝建模采用实体模型以及壳FE模型，两种模型的区别在于：首先，实体模型焊缝需要做建模处理，焊缝分为3层网格，呈现45坡角以及0焊趾过渡半径外观分布在薄板上;其次，壳模型焊缝在一般情况下不做建模处理[1]。

（二）确定载荷工况

重载机车车体纵向力决定车体结构的样式以及车体内部零部件的质量。承重量超过万吨的机车，车体所需的纵向压缩以及拉伸载荷须达到3600kN以及3000kN。本文所设计的车体结构，包含内部设备在内，总重量为75600kg。

（三）评定车体静强度

机车车体的制作材质为6-16mm厚度的钢板，其中车体静强度在满足纵向拉伸和压缩载荷工况的载荷作用下，许用应力应大于最大等效应力，母材以及焊缝处的安全系数需在1.0以及1.1以上。当钢板的厚度处于6～16mm区间时，母材以及焊缝许用应力为315MPa、286MPa;厚度超过16mm，两者许应力分别为295MPa以及268MPa。

二、车体有限元模型的建立与仿真

（一）壳单元模型

选用ANSYS有限元软件，对整个车体进行壳单元有限元分析。车体结构有限元模型包含车体主构造、安装座、车内设备以及悬挂系统。其中壳单元离散应用于车体底架、牵引梁与中梁过渡区域、司机室等在内的主体构造;实体单元离散减振器等安装座;设备质量以及悬挂系统离散采用三维质量单元、三维弹簧单元。

（二）实体单元模型

实体单元建模一方面需要针对焊缝进行建模，3层厚度，规格为5mm每单元，另一方面牵引梁向中梁过渡范围内所表现出的应力分布，需重点关注。

三、壳单元与实体单元理论分析与试验结果对比

（一）理论结果

壳单元和实体单元理论结果差异性明显，后者要高于前者。试验在牵引梁与中梁过渡区域焊趾处选择a、b两个测试点，其中，壳单元在纵向压缩和拉伸载荷工况中，两个测试点的最大等效应力达到183.31MPa和184.77MPa，而焊缝许用应力为268MPa，最大等效应力小于许用应力。

实体单元a、b两个测试点压缩载荷以及拉伸载荷分别选择3600kN以及3000kN，测试点a纵向缩载荷以及拉伸载荷平均值为290.859MPa以及248.698MPa;测试点b纵向压缩载荷以及拉伸载荷平均值303.238MPa以及248.635MPa。纵向拉伸以及压缩载荷工况下的焊缝处的许用应力为268MPa。因此最大等效应力大于许应力，车体结构的静强度偏离标准。

（二）试验结果

为了满足汽车线路的运行要求，车体结构在纵向压缩和拉伸载荷工况下，进行纵向压缩和拉伸试验，目的是为了测试纵向压缩和拉伸纵向力是否能够满足车体结构的静强度。实验并不是一次就可完成的，预压缩载荷纵向以及预拉纵向力分别从最初的2800kN以及2500kNn，在多次实验下逐步递增，预压缩载荷纵向力最高可达3600kN;而预拉伸纵向力最高可达3000kN。其中a、b两个测试点在中向压缩载荷工况下所测得268MPa等效应力值，整体的车体结构增强度处于不标准范围，还需做进一步的优化[2]。

（三）试验结果与理论结果对比分析

牵引梁和中梁过渡区域围绕壳单元和实体单元，所产生的实验和有限元模拟分析结果，在经过对比之后可以发现围绕a、b两个不同区域所获得的等效应力值有些许的差别。例如实体单元两区域的等效应力值接近于实验值，而壳单元实验值要大于等效应力值。因此为保证在进行高应力集中效应区域焊接时，能够获得较为准确的应力分析，可借助实体单元做网格划分，以确保所获得的应力分级结果精确且真实。

四、牵引梁与中梁过渡区局部结构优化

目前机车车体牵引梁与中梁过渡区焊接接头应力水平，超出标准的原因有两方面：一是该区域内车体的结构无法达到高质量的高度要求，刚度失衡破坏应力水平之间的平衡状态;第二大原因车体的纵向中心线、纵向力的作用线交叉或平行，两条线始终无法无法出现在同一直线上。为达到优化过渡区域应力分布的目的，可采取措施对过渡区域的刚度做有效改善。

例如，选择两块厚度为20毫米的纵向筋板安装在中梁内部对称区域，改善车体结构。并经过实验测得纵向压缩以及拉伸工况下最大等效应力以及安全系数，与焊缝268MPa的许用应力以及1.1的安全系数相比，最大等效应力小于许用应力，安全系数超出1.1，因此车体结构的静强度已处于合格状态。

五、结论

综上所述，重载电力机车车体的焊接接头区域，在纵向压缩和拉伸载荷工况下呈现出不同的应力分布，通过建立壳单元以及实体单元有限元模型，优化焊接接头区域结构。通过理论和实验的对比，可以发现实体单元具有较为精准的仿真模拟结果，同时通过网格划分可以有效集中用力，加强焊接接头区域刚度强度，促使车体的工作应力水平维持在标准状态。

参考文献

[1]金希红，袁文辉.重载电力机车车体结构设计及优化分析[J].电力机车与城轨车辆，2012.35（5）.

[2]唐斌.张大涛.地铁信号的列车防护解除及应用[J].机车电传动，2015（1）： 62-64.