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西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院受某鐵礦石敞車出口企業(yè)的委托，對其出口的1067mm軌距鐵礦石敞車結(jié)構(gòu)按北美鐵道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)AARM1001-2007《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》進(jìn)行強(qiáng)度分析。
該敞車車體為焊接結(jié)構(gòu)，其鋼結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻和端墻組成，材料選用Q450NQR1耐候鋼。底架為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由中梁、側(cè)梁、枕梁、小橫梁、大橫梁、縱向梁及鋼地板等組成，中梁由2根310型乙型鋼組焊而成，枕梁為箱形變截面結(jié)構(gòu)，端梁為用鋼板壓成的槽形斷面，大橫梁為工字形斷面，縱向梁、小橫梁為槽形斷面，底架上鋪有厚6mm的Q450NQR1耐候鋼地板。心盤座和后從板座、沖擊座和前從板座均采用鑄造一體式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)均為B+級鑄鋼。側(cè)墻為板柱式結(jié)構(gòu)，由上側(cè)梁、側(cè)板和槽形斷面的變截面?zhèn)戎M成。端墻由上端緣、橫帶及端板組成組焊而成，橫帶為槽形斷面。
(1)該車在端墻、側(cè)墻連接上沒有采用角柱，而是把端墻板折彎后直接與側(cè)墻板搭接組焊，同時(shí)在側(cè)墻板兩端焊有側(cè)橫帶，端墻板與側(cè)橫帶對應(yīng)位置焊有端橫帶，形成框架結(jié)構(gòu)，提高了車體整體強(qiáng)度。(2)該車的枕梁間沒有下側(cè)梁。側(cè)立柱“上小下大”的變截面結(jié)構(gòu)以及側(cè)墻與地板間角度大于90°的喇叭口結(jié)構(gòu)，既體現(xiàn)了等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，又利于卸凈貨物。(3)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了車體整體強(qiáng)度和剛度，減少了零件數(shù)量，降低了制造成本，簡化了制造工序，優(yōu)化了工藝，同時(shí)降低了車體總重量，提高了運(yùn)能。車體為三維空間結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確地預(yù)測其在各載荷工況作用下應(yīng)力與位移的分布，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散分析。車體有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系中，X軸指向車輛前進(jìn)方向，Y軸與線路方向垂直，Z軸垂直于軌道平面(其正方向?yàn)樨Q直向上)。坐標(biāo)系XY平面位于鋼地板中性面上，原點(diǎn)位于車體幾何中心。除部分區(qū)域?yàn)殍T造件外，車體為鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，故采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell63對主結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，而在整體式上心盤和沖擊座處采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid45進(jìn)行離散。離散時(shí)盡可能采用四邊形或六面體單元，個(gè)別過渡區(qū)域采用三角形或四面體單元。車體共離散為82006個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成Shell63單元79267個(gè)，Solid45單元18596個(gè)。車體局部區(qū)域網(wǎng)格如圖所示。
根據(jù)用戶的鐵路運(yùn)輸技術(shù)要求，鐵礦石敞車靜強(qiáng)度參照AARM1001-2007的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算載荷工況見表20AARM1001-2007中規(guī)定，對車體受到的縱向拉伸壓縮載荷、垂向載荷和橫向力的組合工況進(jìn)行強(qiáng)度校核，且車體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不得超過材料屈服極限以及強(qiáng)度極限值的80000車體在各工況載荷作用下總體及部件的最大應(yīng)力值及出現(xiàn)的位置見表。可以看出，車體最大應(yīng)力發(fā)生在工況3，其最大應(yīng)力點(diǎn)位置及周圍應(yīng)力分布見圖。計(jì)算結(jié)果表明，車體在各工況下節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。
根據(jù)AARM1001-2007規(guī)定的載荷工況對出口鐵礦石敞車進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果如下：(1)車體結(jié)構(gòu)方案的總體結(jié)構(gòu)及其部件的靜強(qiáng)度均滿足AAR標(biāo)準(zhǔn)的要求，(2)拉伸工況時(shí)，沖擊座與底架端梁連接處應(yīng)力較大，應(yīng)予以關(guān)注。
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