006大功率内燃机机车车体结构改进及减重计算分析.pdf

大功率内燃机机车车体结构改进及减重计算 分析 隆孝军 马武福 王毅 陈汉珍， 南车资阳机车有限公司研发部 [ 摘 要 ] 本文针对大功率内燃机机车车体钢结构的优化设计问题，在完成前期许多类比、优化计算的基础上，再 次对该机车的车体结构设计方案进行了计算、改进、优化减重分析。 [ 关键词 ] 车体；优化设计；减重分析 1 概述 为适应我国铁路货运提速重载要求，拟研制装用大功率内燃机的重载机车。该机车车体 采用整体承载式结构，与当前通用的内燃机车车体（如东风 8B 机车车体）相比，该机车车 体中部承受的柴油机、电机等部件的重量增加了许多，且底架两端旁承组中心距拉大。作为 机车的主要承载结构，车体钢结构的优化设计是该机车研制工作中的主要任务，车体钢结构 必须在满足车体强度、刚度要求下实现轻量化设计，以满足机车的轴重要求。为了指导并实 现车体钢结构的优化设计，我们采用大型有限元分析软件 ANSYS ，在完成前期许多类比、优 化计算的基础上，再次对该机车的车体结构设计方案进行了计算、改进、优化减重分析。 2 车体结构简介 机车车体由司机室、顶盖、侧墙、底架、间壁等部分组成，是机车的主要承载结构。机 车在运用时，车体结构除要承受上部设备作用的垂向载荷外，还要承受牵引力、横向力以及 可能遇到的数值很大的纵向拉伸、纵向压缩等载荷，为保证车体钢结构的强度和刚度要求， 车体的关键承载部位如底架的柴油机梁、旁承梁、主发梁、边梁、牵引梁、横梁，侧墙的上 弦梁、立柱，司机室立柱，顶盖主要承载梁等均采用了由钢板、钢板折弯件、槽钢等焊接而 成的闭口组合截面结构；车体侧墙采用了由侧墙立柱、上弦梁、交叉斜撑组成的桁框组合结 构；车体底架牵引梁和底架边梁之间连有箱形牵引斜撑，以保证数值很大的牵引载荷、拉伸 载荷、压缩载荷等纵向载荷有效地通过前后从板座、牵引梁、牵引斜撑传递到旁承梁和底架 边梁，进而传递到整个车体；车体司机室、顶盖、侧墙、底架、间壁各部分相互焊连在一起， 使车体成为整体承载式车体。在采用整体式油箱情况下，车体底架中部焊接有油箱，使车体 与油箱共同承载。 3 计算模型的建立 车体的结构复杂庞大，其结构及所受载荷均不具有严格的对称性，为了准确模拟车体的 结构特点并使计算结果反映车体的工作性能，建立了车体的整车模型进行计算分析，计算模 型中对车体的主要承载结构、主要承载部位均作了仔细的模拟。为使车体原结构、改进结构、 优化结构的计算结果具有对应性、可比性，建立模型时采用的实体建模方法、网格划分方式、 网格大小疏密控制参数完全一样。为了完成车体的优化计算工作，建立计算模型时充分应用 了ANSYS 软件的程序化、参数化、模块化等技术。 图 1 车体原结构（整体式油箱方案）计算用有限元模型 图 1 为建立的原结构车体计算用有限元模型。为保证计算精度并提高计算效率，模型中 用ANSYS 软件的 Shell63 壳单元模拟车体的钢板结构；模型中根据车体上部设备的安装情况， 将各上部设备用作用在其安装部位的 Mass21 质量单元来模拟；机车的二系簧则用 Combin14 弹簧单元模拟，弹簧单元刚度按机车在整备状态下静挠度为 10mm 考虑。计算用有限元模型 中共有壳单元 103098 个，质量单元 8832 个，弹簧单元 96 个，单元节点 95181 个。根据车体 钢结构的材料，计算用有限元模型中采用的材料参数为：弹性模量 E=210GPa ，泊桑比ν=0.3 ， 密度ρ=7850kg/mm3 ，计算用有限元模型的质量为20350kg 。 4 车体计算载荷、计算工况、边界条件、计算结果评定 根据机车不同的运用要求，本次分析参照 TB/T2541-1995 《内燃、电力机车车体静强度 试验方法》、TB/T1335-1996 《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》、GB3314 《内燃机车通 用技术条件》等规范和标准，确定了车体计算工况、计算结果要求。 4.1 计算工况 计算工况有：垂直静载工况；垂直动载工况；正向运行牵引工况；反向运行牵引工况； 正向起动牵引工况；1960KN 纵向压缩工况；1470KN 纵向拉伸工况；整体起吊工况；一位救 援吊工况；二位救援吊工况；司机室保