单元大小对货车车体强度及疲劳有限元分析结果影响研究

式中：fz为中梁中央挠度，mm；L 2为车辆定距。
根据《规范》中的要求，车体在每个工况下都必须符合
规定的强度评定标准。各工况下的许用应力如表2所示。
表2 强度评定标准
MPa
材料 Q450钢
工况一 281
工况二 380
顶车工况 屈服极限
450
450
2.5 车体有限元计算结果 将2种单元大小（20 mm和30 mm）不同的敞车车体模
2 敞车车体有限元模型 2.1 单元类型的建立
C70敞车的车体结构是一种典型的薄壳型结构，在利 用有限元技术进行结构强度分析时，采用壳单元，单元长 度分别为20 mm和30 mm。为了快速有效地划分车体，采 用HyperWorks中的BatchMesher子模块进行划分。由于车 体是对称型结构，考虑到计算机的计算能力及人工效率， 因此在不影响计算结果的前提下，有限元模型采用车体 的1/2建模，建立的有限元模型如图2所示。
Strength and Fatigue
WANG Taotao, MA Siqun, SUN Yaqi, CHEN Gang, XU Chunshun
（School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China）
Abstract: This paper conducts three -dimensional geometric modeling of the C70 gondola car body, and then uses the shell elements with side lengths of 20 mm and 30 mm to divide it by finite element. Finally, the strength of the gondola car body with different unit sizes is analyzed and calculated based on the relevant railway specifications. The fatigue life of the gondola car body is evaluated according to the IIW standard. The calculation results show that under the same working conditions, the change of the unit size has little effect on the calculation results of the car body strength, and has a greater influence on the calculation results of the fatigue life. That is, the calculation results of the car body strength are not sensitive to the unit size, the calculation result of fatigue life is sensitive to the unit size. When using the IIW standard to calculate the fatigue life, in order to avoid the element size sensitivity, it is necessary to refine the element nodes at the weld to ensure the stability of the fatigue life calculation results. Keywords: gondola; unit size; strength; IIW standard; fatigue life
4所示。
ANSYS 有限元 分析结 果
由于外部环境干扰或车辆内部因素使车辆受到振动而产 生的载荷[4]。垂向动载荷的计算方法为垂向静载荷与垂向
动载荷系数的乘积。
根据《规范》，动荷系数计算公式为
1
dc
Kd=
fj
(a+b v )+
摇
姨
fj
。
（2）
代入数值得K d=（1.5+0.05伊120）衣42.8+1.65伊0.427衣
摇
姨42.8 =0.1752+0.1077=0.283。
要在焊缝处进行单元节点细化，保证疲劳寿命计算结果的稳定性。
关键词：敞车；单元大小；强度；IIW标准；疲劳寿命
中图分类号:U 272.2
文献标志码:粤
文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园21）07原园065原园4
Research on the Influence of Element Size on the Result of Finite Element Analysis of Freight Car Body
进而对强度 和刚度的影
响也较小，即
车体强度的
计算结果对
单元大小不
敏感。
3 基于IIW标准的敞车车体疲劳寿命计算
（b）最大应力云图（30 mm） 图3 两种单元大小不同的车体最大应
力云图
本文基 于IIW标准和 Miner线性疲
劳损伤理论对敞车车体进行疲劳寿命计算，为敞车的安
全运行提供理论依据。IIW疲劳寿命预测的技术路线如图
载重/t 车辆长度/mm 车辆定距/mm 车辆最大宽度/mm 车辆最大高度/mm 车体内长/mm 车体内宽（上侧板处）/mm
70 13 976 9210 3242 3143 13 000 2892
首先简化对车
车体内高/mm
2050
体承载力影响较小的结构，然后在SolidWorks中建立车体
三维几何模型，如图1所示。
1）垂直静载荷。车体自重、车辆载重以及整备质量等 统称为垂向静载荷[4]。根据企业提供的计算方法，垂向静
载荷为车体的自重和载重之和：
P1=（车辆载重+车辆自重-转向架质量伊2）伊9800。（1）
代入数值得P1=（70垣20-4.8伊2）伊9800越787920 N。
2）垂直动载荷。垂向动载荷是指车辆在运行过程中
于铁路相关规范分析计算不同单元大小的敞车车体强度，根据IIW标准对敞车车体进行疲劳寿命评估。计算结果显示，在同
种工况下，单元大小的改变对车体强度的计算结果影响较小，对疲劳寿命的计算结果影响较大，即车体强度的计算结果对
单元大小不敏感，疲劳寿命的计算结果对单元大小敏感。在使用IIW标准计算疲劳寿命时，为了避免单元大小敏感特性，需
约束。心盘的约束应能够充分模拟心盘处的真实情况，即
纵向（Z向）、横向（X向）、垂向（Y 向）不能发生位移，并且
垂向、横向不发生转动。由于在计算时取1/2车体结构为
计算对象，需在车体横截面施加对称约束。
2.3.2 载荷的建立
根据铁道部TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试
验鉴定规范》（以下简称《规范》）中的规定，作用在车体上 的垂直载荷分为2种，即垂直静载荷和垂直动载荷[4-6]。
本文以国内常用的铁路货车（C70敞车）车体为例进 行分析。C70敞车是指由端墙、侧墙、底架组成且无车顶 的货车。其车体以屈服强度为450 MPa的高强度钢为材 料，采用全钢焊接的结构以实现轻量化，同时加强了承载
性。系统优化了底架 表1 敞车车体主要尺寸参数表
结构，大幅提升了敞
名称
参数
车的载重能力。车门 采用新型中立门结 构，提高了装卸效率 和车体可靠性[2]。其 主要尺寸参数如表1 所示。
图2 车体有限元模型
2.2 材料的选择与属性
在 Hypermesh 中 ， 定 义 车 体 结 构 材 料 为 Q450 钢 ，屈
服应力为450 MPa，弹性模量为285 GPa，密度为7.85伊 10-9 t/mm3，泊松比为0.30[3]。
2.3 工况的建立
2.3.1 约束的建立
当计算车体强度和疲劳损伤时，需对模型心盘施加
5）侧向力。货车承受的侧向力通过加大垂直载荷来
等效考虑，其数值为垂直静载荷的10豫。
2.3.3 工况的建立
2.3.3.1 工况一
1）工 况 一 的 拉 伸 力 组 合 方 式 为 ：垂 向 总 载 荷 +1125
kN纵向拉伸力+侧向力。垂向总载荷平均作用于车体底
架的上表面各节点，纵向拉伸力1125 kN平均作用于车辆
前从板座表面各节点。
2）工 况 一 的 压 缩 力 组 合 方 式 为 ：垂 向 总 载 荷 +1400
kN纵向压缩力+侧向力。垂向总载荷平均作用于车体底
架的上表面各节点，纵向压缩力1400 kN平均作用于车辆
后从板座表面各节点。
2.3.3.2 工况二
工况二的压缩力组合方式为：垂向静载荷+2250 kN纵
型分别导入ANSYS中进行分析计算，得到车体各个工况
下的应力值和垂直静载位移值。限于篇幅，这里仅给出车
体在工况二下2种单元大小的应力云图（如图3），其它工
况的计算结果如表3所示。
表3 两种单元大小不同的车体应力值和垂直静载位移值
工况一
工况一
单元种类
工况二/MPa
（拉伸）/MPa （压缩）/MPa
20 mm单元 168.33
向压缩力。垂向静载荷平均作用于车体底架的上表面各
节点，纵向压缩力2250 kN作用于后从板座表面各节点。
2.3.3.3 工况三
工况三的压缩力组合方式为垂向静载荷。垂向静载
荷作用于车体底架上。
2.4 刚度和强度的评定
刚度的评定标准根据《规范》选取，底架承载的敞车
中梁挠度比为
fz
1
臆。
L2 1500
（4）
0 引言 敞车作为铁路中的主要运输设备，随着货运量需求
的逐渐提升，其数量也在不断增长，目前占到货车总数的 一半以上。现在我国轨道车辆速度飞速提升，车辆运行的 安全稳定性显得尤为重要。目前我国铁路敞车车体均为 焊接结构，在运行过程中由于各种静载荷、动载荷导致焊 缝连接处出现不同程度的疲劳裂纹，给列车运行带来极 大的安全隐患[1]。因此有必要深入研究敞车的强度和疲劳 问题，为列车的安全运行提供理论保障。 1 敞车车体三维几何模型的建立
3）垂直总载荷。垂直总载荷为垂向静载荷与垂向动
载荷之和，计算公式为
Pd=Pj 伊（员垣Kd）。
（3）
代入数值得Pd=787920伊（1+0.283）=1010 kN。
4）纵向力。计算时纵向载荷取值如下：工况一的拉伸
力PL玉=1125 kN；工况一的压缩力PY玉=1400 kN；工况二的
压缩力PY域=2250 kN。
基金项目：国家重点研发计划（2016YFB1200404-06）；大连 市科技创新基金项目（2020JJ27FZ126）
图1 C70敞车车体三维几何模型
网址： 电邮：hrbengineer@ 圆园21 年第 7 期
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机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
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圆园21 年第 7 期 网址： 电邮：hrbengineer@
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
度要求。3）在
同种工况下，
单元大小的
改变对车体
最大主应力
值影响较小，
变化率不超
过 5% ， 且 对
其出现的位
置影响较小，
（a）最大应力云图（20 mm）
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
单元大小对货车车体强度及疲劳 有限元分析结果影响研究
王涛涛, 马思群, 孙雅琪, 陈刚, 徐春顺 （大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028）
摘 要：对C70敞车车体进行三维几何建模，然后分别使用边长为20 mm和30 mm的壳单元对其进行有限元划分，最后基
208.92
276.33
30 mm单元 161.44
206.01
271.94
变化率/%
4.09
1.39
1.59
垂直静载 位移/mm
3.25 3.33 2.46
由计算结果可知：1）车体中央处中梁的最大位移约 为 3.33 mm，车辆定距为9210 mm，计算得中梁的最大挠 跨比为0.54/1500，所以2种单元大小不同的车体模型均满 足《规范》中车体刚度评定的要求。2）两种单元大小不同 的车体均在前从板座或心盘处应力较大，且在各个工况 下都出现了，最大应力出现在前从板位置或心盘附近。各 个工况的计算结果均未超过其材料的许用应力，满足强