基于Nx Nastran有限元分析的公铁两用半挂车车架结构优化（上）
摘 要：采用Nx Nastran软件对公铁两用半挂车车架的初始方案进行有限元计算，并对超过许用应力的区域(结构)进行了原因分析，提出相应的优化改进措施，最终优化后的方案强度满足相关标准要求，文章最后对公铁两用半挂车车架设计提出相应建议，为同类型的车架设计提供了参考。
关键词：公铁两用半挂车车架;有限元分析;强度;优化;
公铁两用货车是公路挂车加装铁路专用铰接式走行单元，通过取消铁路平车车体，将半挂车直接与转向架相连，即可在铁路上运行；脱离连挂即成普通半挂汽车，可在公路上运行的多式联运模式。公铁两用车因其具有自重系数低，转运快捷、投资小、经济环保等优势，作为半挂车多式联运的一大分支，发展出多种形式，是理想的“门到门”多式联运的工具，前景广阔，开创了“门到门”多式联运新纪元。中车眉山车辆有限公司研发了一种载重28 t的公铁两用半挂车，在半挂车车架设计过程中，基于Nx Nastran有限元仿真软件对车架钢结构进行了静强度预测评估与结构优化。
1 主要结构及计算工况
1.1 主要结构
公铁两用半挂车车架为全钢焊接结构，主要板材采用T700高强度钢。车架主要由前端梁、牵引纵梁、边梁、大梁组成、横梁、前端连接装置、后端梁等组成，如图1所示。
图1 半挂车车架组成(初始方案)示意图
1.2 计算工况
公铁两用半挂车公路运输时，汽车行驶的典型工况是在高速道路、强扭转道路、一般道路和弯曲道路上的弯曲、扭转、紧急制动和急转弯等4种工况。对于车架有限元静态分析来说，通常情况下静强度只分析弯曲、扭转2种工况[1]。另外，车架应具有足够的抗弯刚度，通过车架的挠跨比考核。
刚度工况：在静载和匀速行驶状态下，零部件均依照安装位置进行加载，在此情况下考核车架弯曲变形。
弯曲工况：在静载和匀速行驶状态下，零部件均依照安装位置进行加载，并根据具体结构选择以集中载荷或均布载荷方式加载。
扭转工况 :在满载、崎岖道路上低速行驶状态下，由于道路凹凸不平，可能会出现在瞬间个别车轮悬空现象，这种工况是造成整个车架扭曲最不利的工况，其中又以左(右)前轮悬空为最苛刻工况，通常模拟左前轮悬空造成车架扭曲的工况。
公铁两用半挂车铁路运输时，承受铁路货运列车纵向力和货物垂向力作用，刚度参照 BS EN12663-2:2010《铁路应用—铁路车辆车体的结构强度要求》(以下简称“EN12663”)评估，强度按照TB/T 3550.2-2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第2部分：货车车体》(以下简称“TB/T 3550.2”)的要求进行考核。
铁路拉伸工况：模拟列车运行时变速工况，作用载荷：垂向总载荷、侧向力和纵向拉伸力。
铁路压缩工况：模拟列车运行时制动工况，作用载荷：垂向总载荷、侧向力和纵向压缩力。
因公铁两用车编组时没有调车作业，不考虑TB/T 3550.2规定的第二工况。公铁两用半挂车车架计算各工况见表1。车架制造材料的力学性能及许用应力标准，如表2所示。
表1 公铁两用半挂车车架计算工况汇总
2 计算情况及建议
2.1 初始方案有限元计算情况
初始设计方案的有限元分析结果表明，车体刚度、强度满足公路运行工况的设计要求，在铁路运行工况下有多处应力值超过其材料的许用应力的区域。主要集中在前端连接装置附近的横向补板，侧支撑板，箱板如图2中的黑色区域；后端梁的下盖板、腹板以及隔板部位，如图3中的黑色区域。
表2 材料力学性能及各工况下考核标准
图2 前端梁大应力(黑色)区域示意图
图3 后端梁大应力(黑色)区域示意图
2.2 原因分析
初始设计方案的有限元分析结果表明，铁路工况下，公铁两用半挂车车架中间部位强度满足使用要求，大应力区域主要集中在前、后端梁部位。造成局部应力值过大的主要原因有：
(1)由于结构功能要求，前、后端梁的横截面尺寸大于前、后连接装置(铸造件)的截面尺寸，造成前、后端梁在前、后连接装置处的刚度较大，其余部分刚度较小。
(2)前、后端连接装置存在高度差，铁路运输时，车架有0.6°倾角，在纵向载荷作用下将产生附加弯矩。
(3)传递纵向载荷的工字型大梁组成偏离受力区域，导致变形不协调，纵向力传递不畅，局部区域应力过大。
(4)承受纵向载荷的末端，前、后端梁位置处横截面锐减。
(5)部分零件间直角对接，增加应力集中程度。
未完待续
文章来源：汽车车辆工艺
