车下设备不同处理方法对车体刚度的影响分析

1. 前言  

图1 车下设备两种连接方式  

在工作过程中，在审核计算报告时，发现有些同事习惯于采用rbe2单元来模拟车下设备与车体上安装座的连接，有些同事则更倾向于采用rbe3单元，甚至有些项目由于赶进度，来不及提供设备安装座结构，只能在车架上“生出”连接点，然后再与车下设备连接，还有些车下设备采用橡胶垫“弹性”地与安装座连接，但是有些同事不考虑连接弹性，“简单粗暴”地采用rbe2单元或者rbe3单元直接与安装座连接。以上几种不同的处理方法，对车体刚度（一阶垂弯频率）究竟有多大的影响，本文试图通过一个简单的例子来直观说明。  

2. 纯车架（不含车下设备及其安装座）  

首先计算纯车架（不包含车下设备及安装座，见图2）的模态。  

图2 纯车架几何结构  

模态计算结果见图3（变形放大5000倍），纯车架的一阶垂弯频率为9.62Hz。  

图3 纯车架一阶垂弯频率  

3. 整备状态（含车下设备及其安装座）  

本文为方便起见，只考虑2个5吨的车下大设备，每个设备由车架上的4个安装座支撑，以mass点模拟设备质量，见图4。  

图4 车下设备及安装座  

下面分别计算了在是否考虑橡胶垫弹性作用，使用rbe2和rbe3单元对车架一阶垂弯频率的变化趋势。  

3.1 Spring+rbe2（考虑橡胶垫弹性作用，弹簧单元+刚性单元）  

图5为利用spring+rbe2模拟弹性连接。  

图5 利用spring+rbe2单元模拟设备与安装座的连接  

模态计算结果见图6，整备状态下车架的一阶垂弯频率为5.24Hz。  

图6 利用spring+rbe2单元计算整备状态下车架的一阶垂弯模态  

3.2 Spring+rbe3 （考虑橡胶垫弹性作用，弹簧单元+刚性单元）  

处理方式与3.1类似，只是把rbe2改为rbe3。图7为利用spring+rbe3模拟弹性连接。  

图7 利用spring+rbe3单元模拟设备与安装座的连接  

模态计算结果见图8，整备状态下车架的一阶垂弯频率为5.18Hz，结果与3.1较一致（5.24Hz）。  

图8 利用spring+rbe3单元计算整备状态下车架的一阶垂弯模态  

以上两种方法都考虑了橡胶垫的弹性作用，以下两种处理方法均不考虑橡胶垫的弹性作用，只是“简单粗暴”地使用刚性单元把车下设备与安装座连起来。  

3.3 rbe2  (不考虑橡胶垫的弹性作用，刚性单元）  

图9为利用rbe2单元模拟设备与安装座的连接。  

图9 利用rbe2单元模拟设备与安装座的连接  

模态计算结果见图10，整备状态下车架的一阶垂弯频率为6.32Hz。  

图10 采用rbe2单元计算整备状态下车架的一阶垂弯模态  

很显然，如果不考虑橡胶垫的弹性作用，会人为增大车架一阶垂弯频率（考虑橡胶垫的弹性作用时，一阶垂弯频率为5.24Hz和5.18Hz）。  

3.4 rbe3  (不考虑橡胶垫的弹性作用，刚性单元，但比rbe2稍“软”）  

图11为利用rbe3单元模拟设备与安装座的连接。  

图11 利用rbe3单元模拟设备与安装座的连接  

模态计算结果见图12，整备状态下车架的一阶垂弯频率为6.17Hz，与rbe2相比（一阶垂弯频率为6.32Hz），使用rbe3单元会略微降低车架一阶垂弯频率。  

图12 采用rbe3单元计算整备状态下车架的一阶垂弯模态  

4. 整备状态下（不含车下设备安装座）  

当项目进度较紧张时，短时可能无法提供安装座结构，只想大致校核一下车架的刚度，这时就要在车架“生出”与设备的连接点。当无法提供安装座时，橡胶垫参数更无从考虑了。  

4.1 rbe2（刚性单元）  

当没有车下设备安装座时，使用rbe2单元直接把车架与车下设备连接起来，见图13。  

图13 使用rbe2单元直接连接车架与设备  

模态计算结果见图14，整备状态下车架的一阶垂弯频率为6.74Hz。可见，同等条件下，当没有安装座时，比含有安装座时的频率要稍大（6.32Hz）。  

图14 使用rbe2单元直接连接车架与设备时计算车架一阶垂弯频率  

4.2 rbe3（刚性单元，但比rbe2稍“软”）  

在4.1的基础上，其余不变，只是把rbe2改为rbe3，模态计算结果见图15，整备状态下车架的一阶垂弯频率为6.37Hz。可见，同等条件下，当没有安装座时，比含有安装座时的频率要稍大（6.17Hz）。  

图15 使用rbe3单元直接连接车架与设备时计算车架一阶垂弯频率  

5. 总结  

为了方便比较，把以上计算结果汇总，见表1（由于篇幅有限，不详细介绍各自工况下的车架中部最大位移、最大应力位置及数值，仅列出参考）。  

表1 结果汇总  

通过表1可知：  

（1）整备状态下的车架一阶垂弯频率比纯车架的要低；

（2） 当车下设备采用橡胶垫时，如果不考虑其弹性作用，直接采用刚性单元（rbe2或rbe3）会较明显地增大车架一阶垂弯频率；

（3）当没有车下设备安装座时，直接采用刚性单元（rbe2或rbe3）直接把车架与设备连接起来，会增大车架一阶垂弯频率。  

（4）同等条件下，使用rbe2单元得到的车架一阶垂弯频率要比使用rbe3单元的稍大一点。