大功率内燃机机车车体结构改进及减重计算分析

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1、大功率内燃机机车车体结构改进及减重计算分析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

2、、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

3、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

4、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

5、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

6、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；司机室保护工况；模态频率计算；4.2计算结果评定静强度许用应力车体钢结构的材料，主要承载部位为Q3

7、45A，其强度指标为：屈服强度σs≥345MPa，抗拉强度σb=470~630MPa。各工况的许用应力选取如下：垂直静载工况：安全系数取2.5，许用应力［σ］=138MPa；垂直动载、运行牵引等工况：安全系数取1.5，许用应力为［σ］=230MPa；起动牵引、纵向拉伸、纵向压缩、救援吊、司机室保护等工况：安全系数均取1.0，许用应力［σ］=345MPa。5车体结构减重优化分析对车体进行结构减重优化分析的目的是在满足车体结构的强度、刚度、模态频率等要求下，确定车体的最佳轻量化设计方案。此次优化分析采用了设计优化分析技术，

8、对改进结构车体进行了减重优化分析。优化分析的结果尽可能地保证车体结构的减重要求，又体现车体结构设计的模块化特点。5.1设计优化方法介绍对机车车体结构进行设计优化，目标是确定在满足车体结构的强度、刚度、模态频率要求这一条件下，车体重量为最小值时的车体结构设计参数，为车体结构减重设计提供参考和指导。为保证车体优化计算的有效性、可行性，