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1、80t级通用棚车车体结构设计摘要本文在70t级通用棚车的基础上进一步研制80t级通用棚车。针对我国发展80t级通用运输车辆的需求，借鉴、吸收先进技术方法，参考P70型棚车的设计，提出80t级通用棚车的车体钢结构方案，按照相应的标准，利用有限元软件对结构进行校核和优化。关键词：棚车 重载 钢结构设计 有限元分析1.车体基本尺寸确定1.1 比容的确定目前通用棚车比容确定在2-2.2 m3 /t间是适宜的。初步将比容定为2 m3 /t。1.2 基本尺寸确定参考P70，取车体内宽度为2793mm，车辆最大高度4770mm。在断面限界一定的前提下(断面面积为9.01m2)，可通过加长车体来增大容积。当比
2、容取为2m2/t，载重80t，则容积为160m3，可确定车体内长度为17758mm。端墙厚度差别不大，故同样参考P70端墙，可暂定车体长度为17771mm，转向架采用新型的30t轴重转向架，其固定轴距为1830mm。1.3 通过曲线校核 将车体长度L=17771mm，l=12586mm，b=1830mm代入公式，得：车体端部偏移量：=-=133.2mm车体中央偏移量： =+=139.1mm根据限界校核，知所得偏移量符合相关要求。2. 车体结构形式2.1 车体承载结构车体为整体承载结构，即由底架、侧墙、端、车顶共同承载。车体各部分均能承受垂向载荷及纵向力，提高了车体的整体承载能力。在底架上铺有一
3、层金属地板，组成闭口箱型结构。2.2 车体钢结构组成车体为全钢焊接整体承载结构，主要由底架、侧墙、端墙、车顶、车门、车窗等组成。通过对以往棚车的受力状态分析，作为整体承载的棚车，其底架应力水平较高，随着设计轴重的提高，特别是对重质货物的运输，采用更高强度等级的耐候钢材料是必须的。为此，80 t级新型通用棚车底架结构的主要梁件均采用屈服极限为450 MPa的高强度耐大气腐蚀刚Q450NQR1,既符合TB/T 13351996的要求，还可满足牵引重量达万吨的要求。2.2.1 底架组成底架由中梁、枕梁、下侧梁、大横梁、小横梁、端梁组成。 中梁采用符合运装货车200426号文要求的屈服强度为450 M
4、Pa的热轧310乙型钢；采用358 mm的锻钢上心盘和C级铸钢前后从板座。枕梁设计成双腹板加上下盖板组成的封闭箱形梁，并且延底架宽度方向是变截面的，即中部大而两侧小。为避免雨水侵入，枕梁的封闭截面必须延其全长封死。枕梁下盖板与转向架上水平面的距离在空车时不得小于75mm。枕梁由10mm厚上盖板，两块10mm厚腹板，12mm下盖板组焊成变截面箱型结构。两腹板间隔346mm。枕梁与中梁焊接处设置加强板，板厚12mm。枕梁与相邻大横梁距离为2345mm。大横梁的位置应与侧壁立柱的位置对应,以增强侧立柱下部节点的固接强度。这样就可以减少侧立柱的外涨变形；防止因侧梁与大横梁侧立柱连接节点的偏心而产生的局
5、部应力；消除在散粒货物侧压力作用下底架侧梁所承受的扭转力矩。大横梁板材组焊成工字型断面。大横梁由厚为8mm的上下盖板及腹板组焊成工字型结构。上盖板宽154mm，下盖板宽160mm。侧梁为mm冷弯槽钢和mm冷弯槽钢组焊成的鱼腹形结构。在两根大横梁之间应设置两根小横梁，以保证地板具有足够的支撑力，减小其自由面积。小横梁采用mm冷弯槽钢。车体一侧的两根大横梁距离为2403mm。端梁由7mm厚钢板压制成形，并组焊有7mm厚的上盖板。底架上铺有7mm厚扁豆花纹型钢地板。图2.1 底架组成图2.2.2 侧墙组成为板柱式结构，由侧板、侧柱、门柱、上侧梁等组焊而成。车体每侧设4扇下翻式车窗，安装一组推拉式对开
6、车门。车门两侧各布置1个门柱、6个侧柱，侧柱中心线距离为1041mm。侧柱及门柱采用mm的U形冷弯型钢。侧墙板为厚2.5 mm的钢板压型结构，做成压筋形状，压筋高5mm，长500mm，宽220mm。上侧梁为mm冷弯矩形管。图2.2 总体方案图2.2.3 端墙组成为板柱式结构，由端板、端柱、角柱、上端梁等组焊而成。端板采用厚度为3 mm的钢板，端柱采用mm热轧槽钢，角柱采用mm冷弯矩形管。上端梁采用mm的冷弯矩形钢。2.2.4车顶组成有车顶板与车顶侧梁、车顶弯梁、车顶端板组焊而成，提高车顶的抗腐蚀能力。为增大容积，充分利用限界，车顶弯梁采用大圆弧形结构，车顶侧梁采用冷弯型钢。车顶外部安装4个通风
7、器。车顶内衬采用厚度为5mm的PVC板。侧端墙内衬采用厚度为3.5的竹材板。车顶侧梁采用角钢。车顶弯梁采用冷弯矩形空心型钢。车顶端梁采用冷弯型钢方管。车顶采用1.5mm厚钢板。图2.3 车顶组成示意图2.2.5车门组成我国通用棚车都采用推拉式车门,该车门具有自重轻、操作简便的特点。但现有棚车的车门存在2个主要问题：一是由于车门的刚度较小，如果受到车辆冲击或车内货物的挤压或开关门操作不当，车门和车门导轨容易变形，影响车门的性能；二是车门的竖门缝和下部门缝结构使车门的防盗性差。在80 t级新型通用棚车采用推拉门方案设计中，通过采用新的下门口结构和杠杆支点开门装置等措施，部分解决了推拉式车门的不足，
8、提高了该种车门的使用性能。每侧安装1组推拉式对开车门，车门板采用厚为1.5 mm的冷弯波纹板。2.3 主要技术参数车辆基本长度 17771mm车体内宽 2793mm车体内长 17758mm地板面高 1095mm 转向架固定轴距 1830mm车门 mm载重 80t自重 13.7t轴重 30t容积构造速度 100车辆定距 12568mm3. 创建构架几何模型正确建立构架的几何模型是做好有限元分析的基础。根据车体钢结构方案，在ANSYS中创建构架几何模型。本文采用板单元，自底向上建模，即首先建立关键点，由这些关键点建立线、面。建立有限元模型的原则是在保证计算精度的前提下，尽量简化力学模型。利用车体结
9、构的对称性，取整体结构的1/4建立有限元力学模型，然后分别通过关于XZ平面和YZ平面镜像得到整体结构， X轴为横向，Y轴为纵向，Z轴为垂向。建模如下：图3.1车体整体结构有限元模型4. 计算模型4.1材料设置及网格划分几何模型建立好后，根据设计定义材料及各板厚度，如图4.1。本次设计中的单元类型全部为板单元。选择SHELL63板壳单元模型，再对各部分结构设置厚度，材料属性设置是与几何模型无关的本构关系如弹性模量、泊松比、密度等。本设计中构架的材料属性为：弹性模量输入MP，泊松比输入0.3；密度输入。根据所设计车体的实际大小，划分网格大小为80。弹簧单元的大小为135mm，即整个线段划成一个单元
10、。本计算模型共划分了61852个单元。对建好的车体1/4模型划分网格，然后利用镜像命令，并合并节点，得到整车的网格划分结果。图4.1 车体网格划分模型4.2 施加约束条件边界条件的选取是分析的重要环节，不合理的边界条件可能使计算失败，导致计算不出结果。对于分析模型，要对某些节点的自由度加以限制。根据车辆实际运行的情况，在加载前要先对心盘施加约束。分别为纵向、横向、和垂向约束。各向约束均为弹性约束，避免因施加约束引起结构局部应力集中，影响构架的应力分布规律。施加时设定弹簧自由高度为135mm，沿着弹簧中径均匀地建立四个COMBINATION14弹性线单元。4.3 计算载荷工况4.3.1 载荷情况
11、计算载荷工况按照TB/TI3351996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范（以下简称规范)进行选取和施加，计算结果的评定按照规范进行。考虑重载运输需要，纵向力比照万吨列车试验的结果，考虑牵引重量为万吨，纵向力，第一工况拉伸1780kN，压缩1920kN；第二工况压缩2500kN对车体强度进行校核。(1)车体自重约14.6 t，以均布方式作用在结构体内；(2)动荷系数Kdy计算(下面为满载情况下的动荷系数)； (4-1)式中 转向架垂直静挠度 mm车辆商业运行速度 km/ha=1.5 b=0.05 c=0.427 d=1.65(3)垂向静载荷，为自重与载重之和,即94.6t；(4)垂向总载荷=1.2
12、54垂向静载荷，即94.61.254=118.6t；(5)侧向力=0.1垂向静载荷，即0.194.6=9.46t；(6)扭转载荷： 40kNm，作用于顶车位处；(7)纵向拉伸载荷1780kN，作用于底架前从板座处；(8)纵向压缩载荷1920kN，作用于底架后从板座处；(9)纵向压缩载荷2500kN，作用于底架后从板座处。4.3.2 计算工况及应力合成根据规范B的要求，按最不利工况进行合成。（1）第一工况 拉伸组合 纵向拉伸力（1780kN）+垂向总载荷（118.6t）+侧向力（9.46t）+扭转载荷（40kNm）该合成应力应不大于第一工况的许用应力。 压缩组合 纵向压缩力（1920kN）+垂向
13、总载荷（118.6t）+侧向力（9.46t）+扭转载荷（40kNm）该合成应力应不大于第一工况的许用应力。 （2）第二工况 纵向压缩力（2500kN）+垂向静载荷（94.6t）该合成应力应不大于第二工况的许用应力。4.3.3评定标准1刚度 该车为侧墙承载，根据规范，在垂向静载荷作用下，下侧梁挠跨比不应超过1/2000，中梁挠跨比不应超过1/1500。 2.强度 根据规范要求，高强度耐候钢材料（Q450NQR1）屈服强度s=450MPa，经换算第一工况下的许用应力为281MPa，第二工况下的许用应力为380MPa。4.4 计算结果及分析4.4.1 刚度在垂向静载荷作用下，该车下侧梁最大挠度为2.
14、75mm，中梁最大挠度为4.90mm，挠跨比分别为0.44/2000和0.58/1500。由变形图看出，底架垂向变形较大。以上结果表明，该车的垂向弯曲刚度满足规范的要求。垂向静载变形图如下：- 4.2垂向静载变形扩大30倍后图4.3 底架垂向静载变形4.4.2 强度（1）第一工况 拉伸组合：纵向拉伸力（1780kN）+垂向总载荷（118.6t）+侧向力（9.46t）+扭转载荷（40kNm）垂向总载荷、侧向力、扭转载荷均以面力加载在承载面上。纵向拉伸力以节点力形式按8：2的比例作用在前从板座上。该合成应力应不大于第一工况的许用应力。第一工况下的许用应力为281MPa。图4.4 第一工况拉伸组合top面最大应力处
