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机车顶盖的结构设计及有限元分析

发布于:2018-08-11 18:13
有限元分析

       顶盖是20E型机车车体结构的重要组成部分,其作为高压电器及通风设备的载体,上面安装有受电弓、高压隔离开关、高压互感器、真空断路器、进风网等设备,在这些设备之中,有的设备质量重达一百多千克,最少的也有十几千克。当顶盖设备在受到纵向和垂向冲击载荷作用时,顶盖结构应该满足强度要求;同时当检修人员在车顶进行检修作业时,即顶盖无梁区在3kN重力载荷作用下,顶盖须满足强度要求。而总体分配给顶盖的质量只有1.7t,顶盖下梁的高度不能超过70mm。本研究针对20E型机车车内及车顶设备的接口、设备结构特点和顶盖的重量要求,对顶盖进行结构设计和有限元分析,合理地确定顶盖蒙皮的厚度及顶盖梁的间距大小和位置。
       20E型机车顶盖三维设计如图所示,由4块小顶盖组成,每块小顶盖由纵梁和横梁组成的网架式骨架、顶盖蒙皮、各种设备安装座和法兰组成。20E型机车顶盖主体结构所用的材料主要为3mm厚的Q345B,各设备安装座的材料为6,10,25,40mm厚的16MnDR。
       根据标准BSEN12663-2000《铁路设施-铁路机车车身的结构要求》和用户的要求,顶盖静强度分析主要包括以下5种计算工况:车体顶盖设备垂向3g冲击载荷工况;车体顶盖设备垂向3g冲击载荷工况;车体顶盖设备纵向3g冲击载荷工况;车体顶盖设备纵向-3g冲击载荷工况;车体顶盖无梁区域3kN重力载荷工况。20E型机车顶盖所用的材料主要为低温容器板16MnDR和Q345B。根据UIC566《客车车体及其部件载荷》的规定:车体母材区域的许用应力为材料的屈服强度,焊缝区域的许用应力,材料在静载荷作用下的许用应力值如表所示。
       根据标准BSEN12663-2000的规定,车体在所有静载荷工况的载荷作用下,车体的应力均要求达到1.15的安全系数。车体顶盖有限元模型如图所示,顶盖的主体结构离散为三维壳单元,设备质量离散为三维质量单元。顶盖有限元模型由113808个节点和112971个单元组成。其中:三维壳单元111956个、三维质量单元72个和三维梁单元2195个。图分别为车体顶盖设备垂向3g冲击载荷工况下的Top面和Bottom面von Mises应力云图。从分析结果可知,顶盖Top面和Bottom面的最大von Mises应力分别为285MPa和296.5MPa,此时顶盖最小安全系数为345/296.5=1.16>1.15,因此,此工况下车体顶盖满足强度要求。图分别为车体顶盖设备垂向-3g冲击载从分析结果可知,顶盖Top面和Bottom面的最大vonMises应力分别为290.8MPa和293.9MPa,此时顶盖最小安全系数为345/293.9=1.17>1.15,因此,此工况下车体顶盖满足强度要求。图分别为车体顶盖设备纵向3g冲击载荷工况下的Top面和Bottom面von Mises应力云图。从分析结果可知,顶盖Top面和Bottom面的最大von Mises应力分别为178.3MPa和181.6MPa,此时顶盖最小安全系数为345/181.6=1.9>1.15,因此,此工况下车体顶盖满足强度要求。图分别为车体顶盖设备纵向-3g冲击载荷工况下的Top面和Bottom面von Mises应力云图。从分析结果可知,顶盖Top面和Bottom面的最大von Mises应力分别为196.1MPa和202.6MPa,此时顶盖最小安全系数为345/202.6=1.7>1.15,因此,此工况下车体顶盖满足强度要求。选择检修通道中无梁区域面积最大的位置作为此工况的分析区域,无梁区域最大的面积约为0.75m2,图分别为车体顶盖无梁区域3kN重力载荷工况下的Top面和Bottom面vonMises应力云图。从分析结果可知,顶盖Top面和Bottom面的最大vonMises应力分别为202.2MPa和205.7MPa,此时顶盖最小安全系数为345/205.7=1.68>1.15。因此,此工况下车体顶盖满足强度要求。
       本研究根据20E型机车车内及车顶设备的接口、设备结构特点和顶盖的重量要求,对顶盖进行了结构设计,并对20E型机车顶盖在顶盖设备垂向3g冲击载荷工况、垂向3g冲击载荷工况、纵向3g冲击载荷工况、纵向3g冲击载荷工况、无梁区域3kN重力载荷工况下进行强度分析,分析结果表明,20E型机车顶盖满足强度要求,顶盖的结构设计是合理的。


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