关于静强度仿真计算中车体不连续部位高应力的修正

　　1 问题的提出
　　铁路货车车体静强度仿真计算一般采用线性算法，对超出材料屈服强度的应力仍按材料的弹性模量进行计算，没有考虑材料非线性的影响，这样会导致车体结构不连续部位在载荷作用下出现很高的应力，远超出材料的许用应力，但这样的应力是不真实的，在现实结构中不会出现，对于这种由于计算方法的局限而造成的高应力到底应该如何进行评价，给我们提出了一个问题。
　　2 国内外的相关规定
　　2.1 国内的处理方法
　　目前国内铁路货车车体静强度计算及试验标准没有对上述问题给出明确的说法，各公司对该问题的一般做法是对车体结构不连续部位出现超出标准规定许用应力的情况，通过不断优化结构来降低这些部位的应力，直至计算出来的应力达到标准规定的要求。在我公司80t 级轻粘油铁路罐车设计过程中，车体静强度仿真计算出牵引梁立焊缝起始处应力比较大，超出了TB/T1335-1996 的要求，为此我们对该部位结构优化进行了大量的工作，最后确定采用在该部位增加两个圆弧形的连接板，连接板分别与枕梁腹板、牵引梁腹板焊接在一起，优化后的结构计算应力满足TB/T1335-1996 的要求。
　　2.2 AAR 标准中的规定
　　AAR 标准(2007 版)CⅡ分册第7 章7.7.7.4 中指出，由于车体中必然包括结构非常不连续部位，这些部位在载荷的作用下可能会出现局部的材料屈服,在线性有限元分析中没有包括这些部位实际结构中会发生的材料屈服的影响，因此会计算出非常高的应力，但在实际结构中并没有发生很高的应力集中，输出这些高的计算应力是不真实的，因为它们是受分析方法限制的结果而不是结构本身引起的，可以用Neuber 法则(《用任意非线性应力-应变法则的剪应变柱体的应力集中理论》做一个真实应力的估算。AAR 标准中给出了屈服强度为345MPa 材料的修正曲线，如图1 所示，很明显，应力可以转化为可以与材料的屈服强度相比较的等效应力。分析时应该用等效应力进行评定。
　　该修正曲线的水平轴对Neuber 法则等效应力曲线，表示仿真计算出的应力(单位为ksi)，对材料应力-应变曲线，代表应变(10 个单位代表1000 微应变)。
　　3 我国铁路罐车车体结构不连续部位参照AAR 标准进行应力修正的可行性分析
　　AAR 标准对铁路货车车体静强度仿真计算工况及考核标准作出了明确的规定，对每一工况各载荷规定了相应的载荷系数，仿真计算加载时对各工况的载荷乘以相应的载荷系数，对计算超出材料屈服强度的应力按照Neuber 法则等效应力曲线进行修正，并采用修正后的应力与所用材料的屈服强度(或80%的抗拉强度，取小值)进行比较，以此来确定结构强度是否满足标准对车体静强度的要求。
　　与AAR 标准不同，我国TB/T1335-1996 对车体静强度考核是采用材料的许用应力进行，各工况的许用应力由材料屈服强度除以相应的安全系数确定。对线性计算而言，TB/T1335-1996 的安全系数可以转化为载荷系数，在车体静强度计算时，参照AAR 标准，对各工况的计算载荷均乘以相应的载荷系数(取各工况相应的安全系数)，计算应力超出屈服强度时进行应力修正，然后采用材料的屈服强度来考核车体强度。AAR 标准中给出了屈服强度为345MPa 材料的Neuber 法则等效应力修正曲线，在我国铁路罐车车体结构不连续部位进行应力修正时可借鉴使用。
　　4 铁路罐车结构不连续部位应力修正实例
　　无中梁铁路罐车牵引梁立焊缝起始处及侧管支柱与枕梁上盖板连接处由于结构不连续，车体静强度仿真计算采用线性计算方法，在第一工况压缩组合载荷作用下表现出比较大的应力。
　　4.1 按照TB/T1335-1996 计算
　　以GQ70 型罐车为例，按照TB1335/T-1996 规定的载荷工况对该车进行了计算，重点考查牵引梁立焊缝起始处及侧管支柱与枕梁上盖板等结构不连续处应力，在第一工况压缩组合载荷作用下，牵引梁立焊缝起始处应力为276MPa，侧管支柱与枕梁上盖板连接处最大应力为235MPa。这两个部位材料为Q345A，第一工况许用应力为216MPa，按照传统做法，这两个部位计算应力已经超出许用应力，需要进行结构优化设计。
　　4.2 参照AAR 标准进行应力修正
　　按照第3 部分陈述的思路，对GQ70 型罐车第一工况压缩组合载荷的各载荷分别乘以载荷系数(取第一工况低合金钢的安全系数1.6)重新进行计算，在该载荷作用下，牵引梁立焊缝起始处应力为441MPa，侧管支柱与枕梁上盖板连接处最大应力为377MPa。
　　上述两个部位线性计算应力已经超出其所用材料Q345A 的屈服强度345MPa，需要对计算应力进行修正以得到真实应力，由于其所用的材料与给定的材料屈服强度相同，进行应力修正，经过计算，牵引梁立焊缝处真实应力为329MPa，侧管支柱与枕梁上盖板连接处真实应力为322MPa，修正后的应力小于材料的屈服强度345MPa，可以判定这两个部位的强度是能够满足要求的。
　　截至目前，GQ70 型轻油罐车已经过一个厂修期的运用考核，牵引梁立焊缝起始处及侧管支柱与枕梁上盖板连接部位状态良好。
　　5 结束语
　　AAR 标准Neuber 法则等效应力曲线为我们提供了对车体结构不连续部位高应力进行修正的可能性，建议在我国铁路罐车车体静强度计算中借鉴采用，使我们对车体结构静强度的评价更合理。