đánh giá kiểm nghiệm độ bền khung xơng
thùng toa xe khách
hai tầng đờng sắt Việt Nam chế tạo

PGS. TS. lê văn học
ThS. Kiều Công thành

Bộ môn Đầu máy - Toa xe
Khoa Cơ khí - Trờng ĐHGTVT

Tóm tắt: Toa xe khách 2 tầng do Việt Nam chế tạo đang vận dụng trên tuyến đờng H
Nội - Hải Phòng, thùng xe l bộ phận có kết cấu v chịu lực rất phức tạp. Hiện nay việc kiểm
nghiệm độ bền khung xơng thùng toa xe khách 2 tầng l nhiệm vụ rất khó khăn, đòi hỏi nhiều
công sức.
Việc đánh giá chính xác độ bền của thùng toa xe khách 2 tầng đang vận dụng trên đờng
sắt Việt Nam l vấn đề hết sức quan trọng v cần thiết phục vụ cho việc thiết kế v chế tạo mới
toa xe hiện đại, đảm bảo an ton cao, tiết kiệm nguyên liệu.
Bi báo đề cập việc áp dụng phần mềm Sap 2000 (phơng pháp phần tử hữu hạn) để
đánh giá độ bền thùng toa xe khách 2 tầng - Một phơng pháp mới, hiện đại mang tính thời sự
hiện nay, vừa có ý nghĩa thực tiễn cao v ý nghĩa khoa học.
Summary: Double - deck carriages which are made in VietNam are working on the
railway route HaNoi - Hai Phong. The carriage is a complex force - supported structure. Testing
the strength of double - deck carriage's frames is now a demanding job.
Making exact assessment of the strength of double - deck carriages' frames which are
working on VietNam's railways is an important matter and necessary for designing and making
new carriages with modernity, high safety and fuel - saving consumption.
This paper presents the application of Software Sap 2000 (limited element method) to
making assessment of the strength of double - deck carriages. A new, modern and update
method with high practicality and scientificness.
1. Thông số kỹ thuật và lựa chọn sơ đồ tính toán thùng toa xe khách 2 tầng Việt Nam

K
K
H
H
M
M
N
N
550 1490 1760 1270 1620 1620 1620 1620 1620 1270 1760 1490 550550 1490 1760 1270 1620 1620 1620 1620 1620 1270 1760 1490 550
1900
1110 1780 1620 1620 1620 16201110 1780 1620 1620 1620 1620
1690
550
A
A
G
G
D
D
1290 1240
B
B
C
C
F
F
E
E
L
L

A
G
G
A
A
G
G
A
A
A
A
G
G
G
G
D
D
1290 1240
B
B
C
C
F
F
E
E
L
L
K
K

E
E
L
L
K
K
1290 12401290 1240
B
B
C
C
F
F
E
E
L
L
K
K
B
B
B
B
C
C
C
C
F
F
F

Chiều cao thùng xe : 2,9 m.
Chiều dài thùng xe : 20,7 m. Chiều rộng thùng xe : 2,9 m.
Khoảng cách hai cối chuyển: 17,6 m.
Tải trọng trục : 14 tấn/trục.
Cự ly trục : 2,2 m.
Trọng lợng giá chuyển : 5 tấn.
Trọng lợng toàn thể của toa xe : 56 tấn.
Trọng lợng thùng xe: 44 tấn.
Sơ đồ tính toán thùng xe là một hệ thống khung siêu tĩnh gồm các thanh liên kết cứng với
nhau. Hai phần đầu toa xe một tầng gồm các thanh đai trên, đai dới, cột đứng vách ngăn cửa
sổ, cửa ra vào. Phần giữa xe hai tầng thêm thanh đai giữa (sàn tầng 2). Tổng số 20 ô kín siêu
tĩnh, nếu tính bằng tay với bài toán này 60 ẩn số là không có khả năng.
- Các đặc trng hình học:
+ Mặt cắt A - A
F = 26 cm
2
; J
x
= 3,447.10
3
cm
4
; J
y
= 5,773.10
3
cm

3
cm
4
.
+ Mặt cắt D - D ; E - E
F = 92 cm
2
; J
x
= 76,96.10
3
cm
4
; J
y
= 32,61.10
3
cm
4
.
+ Mặt cắt F - F
F = 124 cm
2
; J
x
= 100,0.10
3
cm
4
; J

4
; J
y
= 5,773.10
3
cm
4
.
+ Mặt cắt K - K
F = 232 cm
2
; J
x
= 89,55.10
3
cm
4
; J
y
= 500,0.10
3
cm
4
.
+ Mặt cắt L - L
F = 74 cm
2
; J
x
= 25,29.10

x
= 53,76.10
3
cm
4
; J
y
= 200,0.10
3
cm
4
.
50
10
100
A A
500
100
1010
B B
380
100
1010
D D ; E E
100
10
1080
10
C C
540

100
A A
500
100
1010
B B
50
10
100
A A
50
10
100
10
100
A A
500
100
1010
B B
500
100
1010
100
1010
B B
380
100
1010
D D ; E E

G G
540
100
1010
F F
540
100
1010
100
1010
F F
700
100
1010
G G
700
100
1010
100
1010
G G
10
100
680
N N
100
10
640
M M
100

100
10
290
10
L L
100
10
290
10
L L
10
100
1080
K K
10
100
1080
10
100
1080
K K
100
10
50
H H
100
10
50
10
50

* Bớc 1: Chuyển từ sơ đồ kết cấu sang sơ đồ tính.
Bao gồm các đờng trục tâm hình của các thanh đai trên, đai dới, đai giữa và các cột
đứng liên kết cứng với nhau.
Mô hình toán học đợc mô tả bằng
phơng trình vi phân với giả thiết:
-Hình học
-Động học
- Trạng thái ứng suất của vật liệu
- Tải trọng
- Điều kiện biên
Lời giải bằng phần tử hữu hạn
Chọn:
- Phần tử mẫu thích ứng
-Tạo lới phần tử thích hợp
- Các thông số điều khiển khai báo:
- Hình học
- Tải trọng tác dụng
- Điều kiện biên
Đánh giá độ chính xác của bi toán v mô
hình toán học
Thay đổi phần tử, các thông số
điều khiển
VD:Độ chính xác yêu cầu
Phân tích v biểu diễn kết quả
Cải tiến thiết kế,tối u hoá kết cấu
Hon thiện quá trình phân tích
bi toán
Cải tiến mô hình
toán học
Thay đổi bi toán

Bi toán thùng xe
Thay đổi bi toán
thùng xe
Bi toán thùng xeBi toán thùng xe
Kết cấu thùng xe 2 tầng thực tế
Mô hình tính toán
Phân tích kết cấu TảI trọng tác dụng
Rời rạc hoá kếtcấu
Trọn phần tử mẫu
Kết quả
GiảI bI toán
đặc trng hình
học
đIều kiện biên
Nội lực
Quan hệ chuyển vị tảI trọng
V=u
1
u
2
u
3
u
11
u
12

Hệ Phơng trình vi phân đạo hm riêng
u= n
u

u
GiảI bI toán
Kết quả
Nội lực
ứng suất
Kiểm tra ứng suất

+ Yêu cầu tìm ứng suất v kiểm tra độ bền của thùng xe khi chịu tải trọng.
+ Dạng kết cấu của bi toán:

6,91KN/cm

+ Các tải trọng tác dụng lên kết cấu thùng xe : chia theo tỷ lệ độ cứng
- Tải trọng thẳng đứng rải đều thanh đai dới q
1
= 16,94 KN/cm.
- Tải trọng thẳng đứng rải đều thanh đai giữa q
2
= 6,91 KN/cm
- Tải trọng tập trung tại đầu mút của thanh đai dới T = 1000 KN
* Bớc 2: Rời rạc hoá kết cấu.
- Đánh số điểm nút các phần tử
Chia kết cấu thành 222 phần tử và điểm nút trên các phần tử nh hình vẽ.


41
43
42 44
5145 46
47
48 49 50 5452 53
7170 78777675747372
3938 55 56
696867 79 80 81
57 5958 60 61 62 63 64 8884 85 86 87 89 90 91
66
65 83
82
92 94 96
93 95 97
98
209
210
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
200

47
48 49 50 5452 53
7170 78777675747372
3938 55 56
696867 79 80 81
57 5958 60 61 62 63 64 8884 85 86 87 89 90 91
66
65 83
82
92 94 96
93 95 97
98
209
210
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
200
203
204
205
206

- Hiệu chính dữ liệu ban đầu nếu cần thiết.
* Bớc 4: Biểu diễn kết quả
- Biểu diễn kết quả bằng hình vẽ
+ Biểu đồ mômen uốn M
uốn
trên kết cấu thùng xe (KNcm)
+ Biểu đồ lực dọc trục N trên kết cấu thùng xe (KN) + Biểu đồ lực cắt Q trên kết cấu thùng xe (KN) - Xử lý các kết quả nếu cần.
- Sử dụng kết quả


103 -6.72 -0.61 0.98 1348.63
4. Kết luận
Nếu dùng phơng pháp lực thông thờng để tính toán độ bền khung xơng thùng xe khách
2 tầng là bài toán kết cấu siêu tĩnh bậc cao (60 ẩn số) không thể tính bằng tay và các phép giải
thông thờng vì độ chính xác kém, phải đa vào các giả thiết nhằm đơn giản kết cấu, độ tin cậy
không cao, do vậy phải lựa chọn phơng pháp phần tử hữu hạn để tính toán.
ứng dụng Phơng pháp phần tử hữu hạn thì sơ đồ tính gồm các thanh đai dới, thanh đai
giữa, thanh đai trên, các vách ngăn và cột đứng góc liên kết cứng với nhau. Sơ đồ này rất phức
tạp và chính xác hơn sơ đồ tính của phơng pháp lực. Kết quả tính cho thấy ứng suất lớn nhất
tại các vị trí mặt cắt 42, 43, 44, 45, 46, 47 (của thanh đai giữa) vợt quá giá trị ứng suất cho
phép [] = 1900 KN/m
2
. Thanh đai giữa thực chất là sàn của tầng 2 xe khách, trong sơ đồ tính
bỏ qua sàn thép bọc do đó độ cứng của thanh đai giữa nhỏ hơn thực tế nhiều; Ngoài ra để đánh
giá thật đầy đủ độ bền của thanh đai giữa cần tính toán thêm bằng một phơng pháp khác, tính
toán độ võng của thanh đai giữa từ đó mới có thể có kết luận cuối cùng về khả năng làm việc
lâu dài của khung xơng thùng xe. Các nội dung này sẽ đợc đăng trong số báo gần đây.
Tài liệu tham khảo
[1]. Kiều Công Thnh. Luận văn thạc sỹ KHKT. Đại học GTVT, 2003.
[2]. Bùi Đức Vinh. Phân tích và thiết kế kết cấu bằng phần mền SAP 2000. Đại học Bách Khoa TP. HCM -
NXB thống kê.
[3]. Lê Xuân Thọ. Sử dụng Micro FEAP & SAP 90 trong tính toán kết cấu. NXB Đồng Nai.
[4]. I. M. SMITH v D. V. GRIFITHS. Lập chơng trình tính toán công trình xây dựng bằng Phơng pháp
phần tử hữu hạn. Trờng Đại học Tổng hợp Manchester. NXB Xây dựng