２００８年第１期 ２００８年１月１０日机 车 电 传 动
ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES№１， ２００８Ｊａｎ． １０， ２００８
研究开发
机车车体结构中加强筋的合理设计
刘晓波
（株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲
４１２００１）
摘
置进行合理布置，不仅能增大结构的强度和刚度，还便于制造，减少工料的浪费。介绍了加筋板的主要失效模式，总结了加强筋设计时必须注意的一些问题。
关键词：机车车体；加强筋；合理设计；结构中图分类号：Ｕ２６０．３２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００８）０１－００４２－０３
作者简介：刘晓波（１９７３－），
男，硕士，工程师，现从事
要：对机车车体这样大型而复杂的结构，合理设计加强筋的形状、厚度以及对加强筋的位
电力机车车体研发工作。
Rational Design of the Strengthening Rib in Locomotive Carbody Structure
ＬＩＵＸｉａｏ－ｂｏ
(R&D Center, CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China)
Abstract:For a big and complex structure like locomotive carbody, rational design of the shape, thickness and location of the strength-ening rib, can increase the structural strength and stiffness, makes the production easier and reduce waste of materials. The main defectivemodes of the strengthening rib are introduced. Problems to be reminded during the design are concluded.
Key words:locomotive carbody; strengthening rib; rational design;structure
０引言
机车车体大多数采用全承载式结构，这样的结构
根据现有车型实际运行过程中的断裂统计分析，
裂纹大都出现在加强筋与腹板连接处，特别是腹板上，主要是由于连接处焊缝应力集中引起的。近些年来，薄板壳结构加强筋的设计受到了国内外研究者的重视，提出了一些很有效的分析方法，比如：加强筋分布问题的均匀化方法、自适应成长设计方法等。日本对各种结构焊接形式给出了应力集中有关标准，在标准ＥＷＳ－２８０５Ｋ中指出，焊在大板上的短筋在拉伸、弯曲载荷作用下，应力集中系数为２～３，其中加强筋高度大于腹板厚度时应力集中系数为３，小于时为２；而加强筋长度与腹板长度相等时应力集中系数降为１。因而，如何合理地设计加强筋对提高构件的刚度和强度，减小结构局部应力集中现象，提高机车车体的可靠性、安全性等关键指标具有十分重要的意义。
可以很大程度上满足结构设计轻量化的要求。因为承
载式车体几乎承载了机车使用过程中的所有载荷（主要是扭转和弯曲载荷），所以，机车车体的刚度特性具有举足轻重的作用，车体刚度不合理，将直接影响机车车体的可靠性、安全性等关键指标。决定结构刚度的基本因素主要是材料的弹性模量、变形体断面的几何特征及线性尺寸、载荷及支承形式，其中断面的尺寸和形状对刚度的影响最大，所以提高刚度最常用的措施是合理地配置变形体的几何参数。在机车车体这样大型而复杂的结构中加强筋是不可或缺的功能部分，它能有效地增加构件的刚度和强度而无需大幅增加构件断面尺寸；能提高构件的局部刚度，以减小其局部变形［１］。
收稿日期：２００７－０７－１９—４２—
１加筋板的主要失效模式
加筋板（加强筋和腹板的焊接结构）
通常受到组合
第１期刘晓波：机车车体结构中加强筋的合理设计
载荷作用，其主要的载荷分量是轴向拉力和压应力。一般说，受轴向压应力的加筋板可能的破坏模式有６种。
①整体的弯曲屈曲。当加筋板的加强筋相对较弱或腹板受到相当大的侧向压力时，加强筋会和腹板一起在弹性范围内发生弯曲屈曲。通常情况下，此时由于腹板的后屈曲性能，加筋板依然承受一定的载荷，直到截面中有更多区域达到强度屈服极限。
②加筋板间的局部屈曲。在加强筋与腹板交界处的应力达到屈服极限即认为材料达到极限情况。当加筋板受到轴向压力作用时，腹板容易发生变形而出现卸载，从而使加强筋与腹板交界处的应力首先达到材料的屈服极限。
③ 梁－柱屈曲。当加筋板为对称结构，腹板刚度相差不是很大时，加筋板容易发生梁－柱屈曲。
④加强筋的侧倾。当加筋板的抗扭转刚度较小时，受压时加强筋会绕着筋与板的交线发生局部扭曲，这种现象就叫加强筋的侧倾失稳。一旦加强筋发生侧倾失稳，会使板架结构中的腹板突然丧失加强筋对板的支撑作用，从而导致整个结构的失稳破坏。在设计时必须防止侧倾失稳现象的出现。
⑤加筋板的局部屈曲。当加强筋板的高厚比较大时容易发生这种屈曲。尤其是当加筋板采用扁钢的时候，一旦腹板发生局部失稳，会使整个加筋板突然丧失加强筋对板的支撑作用，从而导致整个板架结构的失稳破坏。
⑥完全屈服。整个加筋板截面的应力都达到屈服极限。对机车车体的加筋板而言，往往达到完全屈服前就已经破坏了。
加筋板究竟出现哪种模式的破坏，取决于在一定的应变条件下，各种破坏模式所对应的板格平均应力的大小、加筋板的几何尺寸和材料属性。对机车车体而言，加筋板间的局部屈曲和侧倾是比较容易发生的破坏形式。
３加强筋厚度的合理设计
要确定加强筋的
断面形状，首先要确定加强筋的惯性矩。而加强筋的相对高度和加强筋的厚度影响断面的惯性矩和断面系数，
图１
加强筋平置矩形断面即影响刚度和强度。图
１是加强筋平置矩形断面的形状及各部分的尺寸。
根据文献［２］，加强筋平置矩形断面惯性矩Ｊ和无加强筋的矩形断面惯性矩Ｊ０
之比为
抗弯截面系数Ｗ与Ｗ０
之比为
式中：δ——加强筋相对宽度（δ＝ｂ／ｂ０）；η——加强筋相对高度（η＝ｈ／ｈ０）。
综合考虑刚度和强度等因素，加强筋的相对高度通常取η≤５，加强筋的厚度ｂ≤（０．６￣０．８）ｈ０，设计时通常取等号。
４加强筋的合理布置
２加强筋形状的合理设计
加强筋最简单的形状是矩形，不过为了满足一些
生产上或结构上的考虑，加强筋的形状及尺寸会根据实际情况进行改变，使受力更趋合理，加工更容易。
机车车体结构中用到的加强筋大致有如下几种结构形式：三角形、矩形、梯形及其他特殊形状，如Ｌ形、Ｕ形、Ｔ形、工字形加强筋等。为减轻机车的整体重量，通常对这些加强筋在形状上做进一步的设计，加强筋顶端切去内角以避免交叉焊缝，改善应力状况，减小应力集中；部分边作成曲边；在加强筋上开孔等。在这些加强筋中，Ｔ型加强筋抗弯和抗扭刚度均较低，主要用于水平面内抗弯；Ｕ型加强筋工艺性好，抗弯刚度较Ｔ型有明显提高，但抗扭刚度较低，主要用于水平面、垂直平面抗弯。
合理布置加强筋通常比增加支承构件的壁厚的综
合效果更好。因为加设加强筋时，既可增大强度和刚度，又可较增大壁厚时减小质量，特别是对于焊接件，壁薄时更容易保证焊接的品质。加强筋的效果主要取决于加强筋设置得是否合理，而不是数量。
加强筋一般被放在非接触面，其伸展方向应跟随构件最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置也受制于一些生产上的考虑。布置加强筋的一般原则是：增强弯曲刚度的加强筋应布置在弯曲平面内；加强筋应能将局部载荷传递给其他壁板。
加强筋布置得正确与否对于加设加强筋的效果有着很大的影响。如果布置不当，不仅不能增大结构的强度和刚度，而且会造成浪费工料及增加制造困难。对梁形支承件来说，加强筋有纵向、横向和斜向之分。纵向加强筋抗弯效果好，设置于弯曲平面内，主要用于提高抗弯强度和刚度；横向加强筋的抗扭作用大，在垂直于扭矩的矢量方向上设置，主要用于提高抗扭强度和刚度；斜向加强筋则介于上述两者之间，具有提高抗弯、抗扭强度和刚度的综合性能。表１所列的是几种加强筋的布置情况。从表１可看出：斜加强筋形式具有显著效果，弯曲刚度是没加设加强筋的基型的１．５倍多，扭转刚度近３倍，而重量仅约增２６％。若采用斜加强筋造成工艺上的困难时，亦可妥善安排若干直加强筋。此外，加强筋的结构形状也是需要考虑的重要影响因素，并应随具体的应用场合及不同的工艺要求
—４３—
（如铸，铆，焊，胶等）而设计成不同的结构形状。在可能条件下尽可能使加强筋受压缩，这样，加强筋起到了加强刚度的作用，同时，它本身又有较好的强度［３，４］。
表１几种加强筋布置情况的对比
图， 其最大应力值为７９．６１ＭＰａ，最大位移是０．７２ｍｍ。显
然，补强板斜置时结构的强度有明显的改善。
注：Ｃｂ为相对弯曲刚度；Ｃ
为相对扭转刚度；Ｒ
为相对质量
６结论
Ｔ
５实例分析
在运行过程中机车车体出现的裂缝大多在加强筋与腹板的连接焊缝处，这当然有机加工工艺和焊接工艺质量上的原因，特别是焊缝质量问题，但也存在设计上的不足。在加筋板的设计过程中，应注意以下几方面的问题：
①加强筋的效果主要取决于加强筋设置得是否合理，而不是数量。布置加强筋的一般原则是：增强弯曲刚度的加强筋应布置在弯曲平面内；加强筋应能将局部载荷传递给其他壁板。
②加强筋的高度通常取板厚度的５倍，加强筋的厚度通常取板厚的０．６～０．８倍。
③斜加强筋形式具有显著效果。
④从结构合理设计和工艺可行性两方面兼顾，长加强筋较短加强筋设计更简单易行、焊缝少、应力集中系数小。
⑤尽可能使加强筋受压缩，这样，加筋板起加强刚度的作用，同时，它本身又有较好的强度。
另外，加强筋的结构形状也是需要考虑的重要影响因素，并应随具体的应用场合及不同的工艺要求而设计成不同的结构形状。在满足使用条件下，尽可能减小结构的刚度，虽然较多的加强筋会增强部件的强度和防止开裂，但实际上也可能会降低部件吸收冲击的能力。参考文献：
［１］黄靖远，龚剑霞，贾延林．机械设计学［Ｍ］．北京：机械工
业出版社，２０００．
［２］吴宗泽． 机械结构设计准则与实例［Ｍ］． 北京：机械工业出
版社，２００６．［３］濮良贵，纪名刚．机械设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，
１９９６．［４］邱宣怀，等．机械设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９７．
以“ＨＸＤ１”型电力机车枕
梁的结构设计为例，其枕梁主要承受机车的垂向载荷，由梁体（２个Ｌ型板）、补强板（２个内立板）、筋板、中心纵梁、限位座和上盖板组成，结构上用补强板代替了常用的Ｌ型筋板，也
就没有采用塞焊连接，改善了受力状况。盖板和补强板为１６ｍｍ１６ＭｎＤＲ钢板，其他均为１２ｍｍ１６ＭｎＤＲ钢板，设计图中补强板与梁体成９７°角，见图２中。为了对比补强板倾斜放置与垂直放置时整个结构的强度的影响，在同样的边界条件与载荷作用下，在大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中分别对２种情况进行了分析。为了使分析更能接近实际情况，建立有限元模型时选取部分侧梁和部分中心纵梁。图３ 是补强板与梁体成９７°时应力及变形图，其最大应力值为６７．３６ＭＰａ，最大位移是０．４３ｍｍ。图４为补强板与梁体成９０°时应力及变形
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２００８年第１期 ２００８年１月１０日机 车 电 传 动
ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES№１， ２００８Ｊａｎ． １０， ２００８
研究开发
机车车体结构中加强筋的合理设计
刘晓波
（株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲
４１２００１）
摘
置进行合理布置，不仅能增大结构的强度和刚度，还便于制造，减少工料的浪费。介绍了加筋板的主要失效模式，总结了加强筋设计时必须注意的一些问题。
关键词：机车车体；加强筋；合理设计；结构中图分类号：Ｕ２６０．３２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００８）０１－００４２－０３
作者简介：刘晓波（１９７３－），
男，硕士，工程师，现从事
要：对机车车体这样大型而复杂的结构，合理设计加强筋的形状、厚度以及对加强筋的位
电力机车车体研发工作。
Rational Design of the Strengthening Rib in Locomotive Carbody Structure
ＬＩＵＸｉａｏ－ｂｏ
(R&D Center, CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China)
Abstract:For a big and complex structure like locomotive carbody, rational design of the shape, thickness and location of the strength-ening rib, can increase the structural strength and stiffness, makes the production easier and reduce waste of materials. The main defectivemodes of the strengthening rib are introduced. Problems to be reminded during the design are concluded.
Key words:locomotive carbody; strengthening rib; rational design;structure
０引言
机车车体大多数采用全承载式结构，这样的结构
根据现有车型实际运行过程中的断裂统计分析，
裂纹大都出现在加强筋与腹板连接处，特别是腹板上，主要是由于连接处焊缝应力集中引起的。近些年来，薄板壳结构加强筋的设计受到了国内外研究者的重视，提出了一些很有效的分析方法，比如：加强筋分布问题的均匀化方法、自适应成长设计方法等。日本对各种结构焊接形式给出了应力集中有关标准，在标准ＥＷＳ－２８０５Ｋ中指出，焊在大板上的短筋在拉伸、弯曲载荷作用下，应力集中系数为２～３，其中加强筋高度大于腹板厚度时应力集中系数为３，小于时为２；而加强筋长度与腹板长度相等时应力集中系数降为１。因而，如何合理地设计加强筋对提高构件的刚度和强度，减小结构局部应力集中现象，提高机车车体的可靠性、安全性等关键指标具有十分重要的意义。
可以很大程度上满足结构设计轻量化的要求。因为承
载式车体几乎承载了机车使用过程中的所有载荷（主要是扭转和弯曲载荷），所以，机车车体的刚度特性具有举足轻重的作用，车体刚度不合理，将直接影响机车车体的可靠性、安全性等关键指标。决定结构刚度的基本因素主要是材料的弹性模量、变形体断面的几何特征及线性尺寸、载荷及支承形式，其中断面的尺寸和形状对刚度的影响最大，所以提高刚度最常用的措施是合理地配置变形体的几何参数。在机车车体这样大型而复杂的结构中加强筋是不可或缺的功能部分，它能有效地增加构件的刚度和强度而无需大幅增加构件断面尺寸；能提高构件的局部刚度，以减小其局部变形［１］。
收稿日期：２００７－０７－１９—４２—
１加筋板的主要失效模式
加筋板（加强筋和腹板的焊接结构）
通常受到组合
第１期刘晓波：机车车体结构中加强筋的合理设计
载荷作用，其主要的载荷分量是轴向拉力和压应力。一般说，受轴向压应力的加筋板可能的破坏模式有６种。
①整体的弯曲屈曲。当加筋板的加强筋相对较弱或腹板受到相当大的侧向压力时，加强筋会和腹板一起在弹性范围内发生弯曲屈曲。通常情况下，此时由于腹板的后屈曲性能，加筋板依然承受一定的载荷，直到截面中有更多区域达到强度屈服极限。
②加筋板间的局部屈曲。在加强筋与腹板交界处的应力达到屈服极限即认为材料达到极限情况。当加筋板受到轴向压力作用时，腹板容易发生变形而出现卸载，从而使加强筋与腹板交界处的应力首先达到材料的屈服极限。
③ 梁－柱屈曲。当加筋板为对称结构，腹板刚度相差不是很大时，加筋板容易发生梁－柱屈曲。
④加强筋的侧倾。当加筋板的抗扭转刚度较小时，受压时加强筋会绕着筋与板的交线发生局部扭曲，这种现象就叫加强筋的侧倾失稳。一旦加强筋发生侧倾失稳，会使板架结构中的腹板突然丧失加强筋对板的支撑作用，从而导致整个结构的失稳破坏。在设计时必须防止侧倾失稳现象的出现。
⑤加筋板的局部屈曲。当加强筋板的高厚比较大时容易发生这种屈曲。尤其是当加筋板采用扁钢的时候，一旦腹板发生局部失稳，会使整个加筋板突然丧失加强筋对板的支撑作用，从而导致整个板架结构的失稳破坏。
⑥完全屈服。整个加筋板截面的应力都达到屈服极限。对机车车体的加筋板而言，往往达到完全屈服前就已经破坏了。
加筋板究竟出现哪种模式的破坏，取决于在一定的应变条件下，各种破坏模式所对应的板格平均应力的大小、加筋板的几何尺寸和材料属性。对机车车体而言，加筋板间的局部屈曲和侧倾是比较容易发生的破坏形式。
３加强筋厚度的合理设计
要确定加强筋的
断面形状，首先要确定加强筋的惯性矩。而加强筋的相对高度和加强筋的厚度影响断面的惯性矩和断面系数，
图１
加强筋平置矩形断面即影响刚度和强度。图
１是加强筋平置矩形断面的形状及各部分的尺寸。
根据文献［２］，加强筋平置矩形断面惯性矩Ｊ和无加强筋的矩形断面惯性矩Ｊ０
之比为
抗弯截面系数Ｗ与Ｗ０
之比为
式中：δ——加强筋相对宽度（δ＝ｂ／ｂ０）；η——加强筋相对高度（η＝ｈ／ｈ０）。
综合考虑刚度和强度等因素，加强筋的相对高度通常取η≤５，加强筋的厚度ｂ≤（０．６￣０．８）ｈ０，设计时通常取等号。
４加强筋的合理布置
２加强筋形状的合理设计
加强筋最简单的形状是矩形，不过为了满足一些
生产上或结构上的考虑，加强筋的形状及尺寸会根据实际情况进行改变，使受力更趋合理，加工更容易。
机车车体结构中用到的加强筋大致有如下几种结构形式：三角形、矩形、梯形及其他特殊形状，如Ｌ形、Ｕ形、Ｔ形、工字形加强筋等。为减轻机车的整体重量，通常对这些加强筋在形状上做进一步的设计，加强筋顶端切去内角以避免交叉焊缝，改善应力状况，减小应力集中；部分边作成曲边；在加强筋上开孔等。在这些加强筋中，Ｔ型加强筋抗弯和抗扭刚度均较低，主要用于水平面内抗弯；Ｕ型加强筋工艺性好，抗弯刚度较Ｔ型有明显提高，但抗扭刚度较低，主要用于水平面、垂直平面抗弯。
合理布置加强筋通常比增加支承构件的壁厚的综
合效果更好。因为加设加强筋时，既可增大强度和刚度，又可较增大壁厚时减小质量，特别是对于焊接件，壁薄时更容易保证焊接的品质。加强筋的效果主要取决于加强筋设置得是否合理，而不是数量。
加强筋一般被放在非接触面，其伸展方向应跟随构件最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置也受制于一些生产上的考虑。布置加强筋的一般原则是：增强弯曲刚度的加强筋应布置在弯曲平面内；加强筋应能将局部载荷传递给其他壁板。
加强筋布置得正确与否对于加设加强筋的效果有着很大的影响。如果布置不当，不仅不能增大结构的强度和刚度，而且会造成浪费工料及增加制造困难。对梁形支承件来说，加强筋有纵向、横向和斜向之分。纵向加强筋抗弯效果好，设置于弯曲平面内，主要用于提高抗弯强度和刚度；横向加强筋的抗扭作用大，在垂直于扭矩的矢量方向上设置，主要用于提高抗扭强度和刚度；斜向加强筋则介于上述两者之间，具有提高抗弯、抗扭强度和刚度的综合性能。表１所列的是几种加强筋的布置情况。从表１可看出：斜加强筋形式具有显著效果，弯曲刚度是没加设加强筋的基型的１．５倍多，扭转刚度近３倍，而重量仅约增２６％。若采用斜加强筋造成工艺上的困难时，亦可妥善安排若干直加强筋。此外，加强筋的结构形状也是需要考虑的重要影响因素，并应随具体的应用场合及不同的工艺要求
—４３—
（如铸，铆，焊，胶等）而设计成不同的结构形状。在可能条件下尽可能使加强筋受压缩，这样，加强筋起到了加强刚度的作用，同时，它本身又有较好的强度［３，４］。
表１几种加强筋布置情况的对比
图， 其最大应力值为７９．６１ＭＰａ，最大位移是０．７２ｍｍ。显
然，补强板斜置时结构的强度有明显的改善。
注：Ｃｂ为相对弯曲刚度；Ｃ
为相对扭转刚度；Ｒ
为相对质量
６结论
Ｔ
５实例分析
在运行过程中机车车体出现的裂缝大多在加强筋与腹板的连接焊缝处，这当然有机加工工艺和焊接工艺质量上的原因，特别是焊缝质量问题，但也存在设计上的不足。在加筋板的设计过程中，应注意以下几方面的问题：
①加强筋的效果主要取决于加强筋设置得是否合理，而不是数量。布置加强筋的一般原则是：增强弯曲刚度的加强筋应布置在弯曲平面内；加强筋应能将局部载荷传递给其他壁板。
②加强筋的高度通常取板厚度的５倍，加强筋的厚度通常取板厚的０．６～０．８倍。
③斜加强筋形式具有显著效果。
④从结构合理设计和工艺可行性两方面兼顾，长加强筋较短加强筋设计更简单易行、焊缝少、应力集中系数小。
⑤尽可能使加强筋受压缩，这样，加筋板起加强刚度的作用，同时，它本身又有较好的强度。
另外，加强筋的结构形状也是需要考虑的重要影响因素，并应随具体的应用场合及不同的工艺要求而设计成不同的结构形状。在满足使用条件下，尽可能减小结构的刚度，虽然较多的加强筋会增强部件的强度和防止开裂，但实际上也可能会降低部件吸收冲击的能力。参考文献：
［１］黄靖远，龚剑霞，贾延林．机械设计学［Ｍ］．北京：机械工
业出版社，２０００．
［２］吴宗泽． 机械结构设计准则与实例［Ｍ］． 北京：机械工业出
版社，２００６．［３］濮良贵，纪名刚．机械设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，
１９９６．［４］邱宣怀，等．机械设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９７．
以“ＨＸＤ１”型电力机车枕
梁的结构设计为例，其枕梁主要承受机车的垂向载荷，由梁体（２个Ｌ型板）、补强板（２个内立板）、筋板、中心纵梁、限位座和上盖板组成，结构上用补强板代替了常用的Ｌ型筋板，也
就没有采用塞焊连接，改善了受力状况。盖板和补强板为１６ｍｍ１６ＭｎＤＲ钢板，其他均为１２ｍｍ１６ＭｎＤＲ钢板，设计图中补强板与梁体成９７°角，见图２中。为了对比补强板倾斜放置与垂直放置时整个结构的强度的影响，在同样的边界条件与载荷作用下，在大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中分别对２种情况进行了分析。为了使分析更能接近实际情况，建立有限元模型时选取部分侧梁和部分中心纵梁。图３ 是补强板与梁体成９７°时应力及变形图，其最大应力值为６７．３６ＭＰａ，最大位移是０．４３ｍｍ。图４为补强板与梁体成９０°时应力及变形
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