橫風(fēng)作用下貨車棚布結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

橫風(fēng)作用下貨車棚布結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

卡車防護(hù)是鐵路卡車的輔助設(shè)備。用于虞灘車以外的事項(xiàng)，如公路貨運(yùn)、特種車輛和其他需要一再覆蓋的貨物，在鐵路貨運(yùn)中發(fā)揮著重要作用。長期以來,由于我國鐵路貨運(yùn)集裝化程度不高,棚車數(shù)量相對有限,大部分貨物(如糧食、化肥等)運(yùn)輸都是采用敞車苫蓋篷布的運(yùn)輸方式。當(dāng)苫蓋篷布貨車在大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行時(shí),篷布、篷布繩索、篷布繩網(wǎng)受到的氣動(dòng)力增大,經(jīng)常出現(xiàn)篷布和篷布繩索脫落的現(xiàn)象,造成信號設(shè)施損壞及人身傷亡,在我國曾多次出現(xiàn)因篷布繩索脫落打傷、打死正在瞭望的機(jī)車乘務(wù)員和接車的車站助理值班員的重大安全事故;同時(shí)篷布、篷布繩索和篷布繩網(wǎng)容易造成貨物濕損和被盜,甚至引起火災(zāi),嚴(yán)重影響貨物安全及鐵路運(yùn)輸形象;當(dāng)貨車在電氣化鐵路線上運(yùn)行時(shí),篷布、篷布繩網(wǎng)脫落還會造成接觸網(wǎng)受損的重大行車事故。目前,我國鐵路篷布、篷布繩索和篷布繩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件主要依據(jù)國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)制定,迄今為止,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對復(fù)雜工況下鐵路貨車篷布受力情況的研究和綜合試驗(yàn)較少。面臨我國鐵路貨運(yùn)的快速發(fā)展,亟待對復(fù)雜工況下鐵路貨車篷布、篷布繩索和繩網(wǎng)的受力情況進(jìn)行全面分析和評估,為制定符合我國鐵路運(yùn)輸實(shí)際的篷布、篷布繩索和篷布繩網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)和安全運(yùn)行條件提供依據(jù)。本文作者首先采用基于三維、不可壓、非定常N-S方程和k-ε雙方程湍流模型的數(shù)值求解方法對大風(fēng)作用下的篷布內(nèi)外空間復(fù)雜三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到篷布在各種復(fù)雜工況下所受氣動(dòng)載荷,為篷布強(qiáng)度計(jì)算提供加載數(shù)據(jù);然后,采用索膜結(jié)構(gòu)載荷分析理論,以篷布所受氣動(dòng)升力作為加載載荷,運(yùn)用非線性有限元方法分析大風(fēng)條件下的篷布強(qiáng)度。1模型建立與計(jì)算方法為了保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算機(jī)資源的有效利用,對敞車計(jì)算模型進(jìn)行如下簡化:省略車輛細(xì)微結(jié)構(gòu),如車鉤等裝置;采用四車聯(lián)掛(機(jī)車和3節(jié)苫蓋篷布敞車)。篷布采用D型鐵路篷布(其長×寬為15m×5.3m,面積為79.5m2)。同時(shí),為模擬篷布內(nèi)外表面空氣的流動(dòng)情況,采用零厚度壁面單元模擬篷布,忽略了篷布與空氣之間的流固耦合效應(yīng)。具體計(jì)算模型示意圖見圖1~2。當(dāng)模擬苫蓋篷布貨車在大風(fēng)區(qū)域運(yùn)行時(shí),模型長度方向尺寸的選取則是使計(jì)算區(qū)域下游邊界盡可能遠(yuǎn)離列車尾部,以避免出口截面受到列車尾流的影響,便于出口邊界條件的給定;寬度需避免阻塞效應(yīng)影響;計(jì)算區(qū)域的長度為400m,寬度為300m,高度為80m,如圖3所示。采用合成風(fēng)方法進(jìn)行模擬計(jì)算,通過給定計(jì)算區(qū)域入口速度的方法綜合考慮列車運(yùn)行速度與風(fēng)速的影響。入口ABCD和ABFE為速度入口條件;出口EFGH和CDHG為壓力出口,靜壓為0MPa;地面(即ADHE面)給定滑移邊界條件,方向與車速方向相反,大小相等,以體現(xiàn)與列車之間的相對運(yùn)動(dòng)。流域的頂面與兩側(cè)面以及車體表面給定光滑的無滑移壁面邊界條件。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散。計(jì)算模型總網(wǎng)格數(shù)為160萬左右。具體篷布敞車網(wǎng)格如圖4所示。2典型的應(yīng)力點(diǎn)由大風(fēng)條件下貨車篷布空氣動(dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算分析可知:篷布在貨車運(yùn)行過程中主要承受向上的升力的作用,其在篷布繩索和篷布支架共同作用下的結(jié)構(gòu)類似建筑結(jié)構(gòu)里的索膜結(jié)構(gòu)。這里利用ANSYS軟件對篷布結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算強(qiáng)度時(shí),選取shell41單元作為篷布的單元類型,選取link10單元作為篷布繩索的單元類型。在計(jì)算篷布強(qiáng)度之前要進(jìn)行以下假設(shè):(1)索膜之間無相對滑動(dòng);索膜張拉變形為小應(yīng)變;(2)膜材料為正交各向異性彈性材料,工作拉應(yīng)力范圍內(nèi)為線性材料;(3)當(dāng)篷布出現(xiàn)褶皺時(shí),單元仍具有較小的剛度;(4)篷布與側(cè)墻頂端接觸處由于摩擦以及拉緊的作用,處于全約束狀態(tài);(5)由于摩擦的作用,在篷布結(jié)構(gòu)上沿縱向的力對篷布的強(qiáng)度影響很小,可以略去。根據(jù)以上有關(guān)數(shù)據(jù)信息以及假設(shè),強(qiáng)度計(jì)算主要分為2個(gè)步驟:(1)利用ANSYS建模,膜結(jié)構(gòu)由于抗彎剛度很小,幾何非線性較強(qiáng),其變形主要是垂直膜面的位移,而膜結(jié)構(gòu)本身的面內(nèi)位移很小。因此,采用三角形等參元對其進(jìn)行離散,加載面壓力之后,對側(cè)墻、端墻與篷布接觸的地方進(jìn)行全約束,通過幾何非線性的計(jì)算,得到應(yīng)力較大的區(qū)域,取出此區(qū)域和側(cè)墻接觸位置結(jié)點(diǎn)的約束反力。(2)建立與應(yīng)力較大區(qū)域連接部分篷布模型,采用平面三角形單元離散,把所得的結(jié)點(diǎn)約束反力施加在模型中,對模型進(jìn)行一定約束后,進(jìn)行線性計(jì)算,即可得到最大應(yīng)力點(diǎn)。圖5所示為篷布索膜結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖和篷布頂部和側(cè)面加載圖,頂面加載數(shù)據(jù)來源于篷布空氣動(dòng)力學(xué)性能研究各個(gè)不同分區(qū)的所受氣動(dòng)力,具體加載數(shù)據(jù)見參考文獻(xiàn),側(cè)面加載數(shù)據(jù)則來源于篷布頂面計(jì)算之后的應(yīng)力較大區(qū)域結(jié)點(diǎn)的約束反力。3在風(fēng)暴條件下，卡車框架強(qiáng)度結(jié)果分析3.1布卷強(qiáng)度影響因素分析3.1.1泊松比對火焰平降溫的影響由于篷布材料的固有特性,與彈性模量相比,其泊松比變化更大,為研究泊松比對篷布結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,選取10種不同泊松比μ,分別為0,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40和0.45。篷布厚度為0.5mm,篷布彈性模量(包括經(jīng)向和緯向)為1100MPa;篷布繩索的彈性模量為2000MPa,繩索直徑為50mm2,篷布繩索預(yù)應(yīng)力取為100N。圖6所示為貨車120km/h通過大風(fēng)地區(qū),橫風(fēng)風(fēng)速為20.7m/s,篷布支架高為0.75m時(shí),不同泊松比下篷布頂面最大位移比和最大主應(yīng)力比。最大位移比為不同泊松比的最大位移與泊松比為0時(shí)的最大位移之比;最大主應(yīng)力比為不同泊松比的最大主應(yīng)力與泊松比為0時(shí)的最大主應(yīng)力之比。由圖6可以看出:(1)隨著泊松比的增大,篷布頂面最大位移比和最大主應(yīng)力比逐漸變小;(2)泊松比對最大位移的影響較大,當(dāng)泊松比大于0.3之后,最大主應(yīng)力比隨泊松比的變化很小;(3)泊松比減小有利于增大最大主應(yīng)力。由于考核篷布強(qiáng)度的需要,選取了最危險(xiǎn)的工況進(jìn)行計(jì)算,后面考核篷布強(qiáng)度時(shí),選取篷布材料泊松比為0。3.1.2車橋機(jī)政策下于地面體的受力分布為研究篷布繩索張力對篷布強(qiáng)度的影響,選取8種不同的繩索預(yù)張力來進(jìn)行分析。選取的預(yù)張力為0,10,20,50,100,150,200和300N。選取篷布厚度為0.5mm,篷布彈性模量(包括經(jīng)向和緯向)取為1100MPa,泊松比取為0;篷布繩索的彈性模量為2000MPa,泊松比取為0.3,繩索直徑為50mm。圖7所示為貨車120km/h通過大風(fēng)地區(qū),橫風(fēng)風(fēng)速為20.7m/s,篷布支架高為0.75m時(shí),不同預(yù)張力下篷布頂面的最大位移比和最大主應(yīng)力比。最大位移比為不同預(yù)張力的最大位移與預(yù)張力為0N時(shí)的最大位移之比,最大主應(yīng)力比為不同預(yù)張力下最大主應(yīng)力與預(yù)張力為0時(shí)的最大主應(yīng)力之比。由圖7可以看出:隨著篷布繩索預(yù)張力的增大,篷布頂面最大位移比和最大主應(yīng)力比逐漸變小;篷布繩索預(yù)張力的增大有利于減小篷布頂變形和最大主應(yīng)力比;根據(jù)篷布實(shí)際運(yùn)用需要,篷布強(qiáng)度校核時(shí),選取篷布繩索預(yù)張力為100N。3.2體應(yīng)力與最大主應(yīng)力圖8和圖9所示分別為篷布頂面、篷布網(wǎng)眼的最大位移和最大主應(yīng)力隨車速和風(fēng)速的變化曲線。圖10所示為貨車以120km/h速度通過大風(fēng)地區(qū),橫風(fēng)風(fēng)速為31.5m/s時(shí),篷布頂面、側(cè)面的應(yīng)力和變形。由圖8和圖9可知:(1)篷布所受最大應(yīng)力均發(fā)生在繩索與篷布連接的眼圈位置,篷布其他位置的應(yīng)力均小于該位置應(yīng)力;篷布網(wǎng)眼位置采用雙層包邊結(jié)構(gòu)可以有效緩解該位置的最大主應(yīng)力。(2)隨著貨車運(yùn)行速度增大,篷布頂面和篷布網(wǎng)眼位置的最大位移和最大主應(yīng)力相應(yīng)增加。(3)隨著橫風(fēng)風(fēng)速增大,篷布頂面和篷布網(wǎng)眼位置的最大位移和最大主應(yīng)力隨之增大。(4)橫風(fēng)風(fēng)速對篷布的最大位移和最大主應(yīng)力的影響大于貨車速度對其的影響。由圖10可以看出:當(dāng)貨車速度為120km/h、風(fēng)速為31.5m/s時(shí),篷布頂面最大應(yīng)力和最大位移分別為11.201MPa和100.51mm,均位于篷布的迎風(fēng)面位置。篷布側(cè)面最大應(yīng)力位置位于篷布網(wǎng)眼位置,當(dāng)網(wǎng)眼位置采用雙層焊接結(jié)構(gòu)時(shí),網(wǎng)眼位置受到的最大應(yīng)力為單層結(jié)構(gòu)的一半。3.3防風(fēng)車型混凝土疊合機(jī)制對加強(qiáng)車下紗管出率的影響根據(jù)鐵道部鐵運(yùn)(2008)60號文件中《貨車D型篷布技術(shù)條件》要求,篷布的破斷拉力取為3500N/(50mm),可計(jì)算得到其極限應(yīng)力為140MPa。參考TB1335—78《鐵路車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn),安全系數(shù)取為1.5,可得到篷布許用應(yīng)力為93.3MPa。由實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果可知:防風(fēng)網(wǎng)能夠顯著降低篷布繩索拉力30%~40%,折算到篷布最大主應(yīng)力相應(yīng)減小30%~40%。表1所示為不同工況下有網(wǎng)和無網(wǎng)情況下篷布的最大主應(yīng)力(表中有防風(fēng)網(wǎng)數(shù)據(jù)為無網(wǎng)最大主應(yīng)力乘以0.7)。由表1可知:(1)網(wǎng)眼位置采用雙層篷布焊接結(jié)構(gòu),貨車大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行,橫風(fēng)風(fēng)速小于41.4m/s,篷布未苫蓋防風(fēng)網(wǎng)時(shí)的最大主應(yīng)力小于篷布許用應(yīng)力,滿足篷布安全運(yùn)行要求。(2)網(wǎng)眼位置采用雙層篷布焊接結(jié)構(gòu),貨車大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行,橫風(fēng)風(fēng)速小于54m/s,篷布苫蓋防風(fēng)網(wǎng)時(shí)的最大主應(yīng)力小于篷布許用應(yīng)力,滿足篷布安全運(yùn)行要求。(3)當(dāng)篷布側(cè)面網(wǎng)眼位置采用雙層包邊結(jié)構(gòu)時(shí),篷布的最大主應(yīng)力降低一半。4橫風(fēng)風(fēng)速對車架林出的影響(1)網(wǎng)眼位置采用雙層篷布焊接結(jié)構(gòu),貨車大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行,橫風(fēng)風(fēng)速小于41.4m/s,篷布未苫蓋防風(fēng)網(wǎng)時(shí)的最大主應(yīng)力小于篷布許用應(yīng)力,滿足篷布安全運(yùn)行要求。(2)網(wǎng)眼位置采用雙層篷布焊接結(jié)構(gòu),貨車大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行,橫風(fēng)風(fēng)速小于54m/s,篷布苫蓋防風(fēng)網(wǎng)時(shí)的最大主應(yīng)力小于篷布許用應(yīng)力,滿足篷布安全運(yùn)行要求。(3)篷布