铁路重载货车结构分析方法研究

摘要

重载运输是铁路提高大宗重质货物运输能力的主要技术手段，提高车辆轴重、增大车辆载重是发展重载运输的重要举措。在保证结构强度、刚度和稳定性满足要求的前提下，实现车体结构的轻量化是车体结构设计的首要问题。
　　 本文围绕研制目前世界上轴重最大40吨、自重系数最小0.16、调车允许安全连挂速度不低于9.5km/h、能承受5560kN纵向冲击载荷的重载敞车车体结构开展研究，形成一套铁路车辆结构非线性分析方法。
　　 研发了多车耦合调车冲击数值仿真程序。冲击是导致车辆损坏的重要原因之一，针对重载货车的调车安全连挂速度开展研究，建立经调车冲击试验得到的车钩缓冲器阻抗特性曲线，运用多体系统动力学理论，在ADAMS平台上开发了多车耦合调车冲击数值仿真程序。进行了5km/h以上不同调车冲击速度下，1节车对1节车、1节对3节车以及2节对2节车3种调车冲击动力特性研究，得到车钩缓冲器容量大小对冲击动能耗散影响的定量结果，提出重载货车调车冲击安全连挂速度限值。
　　 提出了铁路重载货车材料与几何结构非线性分析方法。重载车辆既需提高车辆轴重，又要降低车辆自重增大载重，单靠传统的线性结构分析方法已无法满足，需要在其计算的基础上，进一步采用非线性结构分析方法。提出重载货车结构设计按结构不失稳并允许产生局部塑性变形的原则进行，利用金属材料的强化性能，允许结构局部塑性变形并控制其扩展，以提高结构的整体承载能力，采用材料非线性理论完成车体结构冲击强度分析；应用几何非线性理论，对板梁组合的薄壁整体承载车体结构进行了屈曲稳定性分析。根据分析结果，提出了车体结构强度、刚度调整优化措施，完成了轴重40吨、车体结构自重8.36吨、材质为Q450NQR1的重载敞车车体结构的优化设计，产品已批量生产并投入实际运用，表明非线性结构分析方法是重载车辆结构优化设计的有效手段。
　　 针对纵向冲击作用下散粒货物的流动大变形特性，提出用任意拉格朗日-欧拉方法描述散粒货物的运动，进行纵向冲击下车体结构动强度分析的方法。该方法包括了散粒货物用ALE方法描述，车体结构用拉格朗日方法描述，流固耦合力学模型的创建，以及采用中心差分显式时间积分法、拉格朗日和欧拉算法相结合的算子分离技术实现ALE控制方程的求解。对纵向冲击下的车体结构进行了动强度分析，得到散粒货物的运动特性和车体结构的动力响应，解决了冲击过程中散粒货物不断前涌，如何求解冲击端端墙压力的难题。
　　 提出了铁路重载货车结构材料轻量化、低阻力车体。敞车侧墙立柱设计成内置，保持侧墙外壁平整，降低列车运行阻力；把耐腐蚀新材料NIROSTA()T4003不锈钢材质用于与矿石接触的部件，进一步降低车体自重，并减少车体的维护；结合自行编制的车体结构轻量化程序，进行了敞车车体结构的轻量化研究，使40t轴重不锈钢敞车载重为138吨的车体结构自重仅为7.02t。