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城市轨道车辆轻质不锈钢车身有限元分析

发布时间:2019-03-09 10:52

根据城市轨道轻质不锈钢车身的实际结构,建立了车身有限元模型;根据国内外城市轨道交通车辆的技术标准,确定计算的载荷,进行车体应力计算和模态分析,并将计算结果与试验结果进行对比。提出改进建议。

关键词城市轨道车辆;不锈钢机身;有限元分析

为了提高不锈钢车辆的设计和制造水平,采用msc.patran/nastran有限元软件结合天津津滨城市轨道不锈钢列车的车身结构,建立了车身结构的有限元模型。 ,进行了强度计算和模态分析。为了验证车身设计的合理性和车身的结构强度,以满足设计要求,为车身碰撞分析和结构优化研究提供可靠依据。

1轻质不锈钢车辆主要参数和结构特点

正在研究的车辆是b型鼓形整体承重焊接轻质车身结构。车辆的总体主要参数如表1所示。用于车身主要部件的材料及其性能如表2所示。

主体结构(图1)由底盘,侧壁,车顶,端壁和驾驶室骨架组成。轻质不锈钢车身结构与耐候钢车身相同。它也是板和梁的组合,承载整个焊接结构,但使用的板更薄(外板厚度为1.5mm,梁厚度为0.8~4mm),因此必须使用大量的薄板。通常将0.8mm)卷成波纹加强板并点焊以形成空腔以抵抗由剪切引起的翘曲。与传统的不锈钢体相比,加强肋不仅可以减少热量积聚,减少皮肤上的应力,还可以将外板的厚度减少约20%。车身的波纹屋顶和地板由0.6毫米厚的板材制成。车身的梁柱由力根据不同强度等级的不锈钢制成。优化横截面形状,尽可能减少板厚,减少材料量。采用轻质技术后,其重量比普通钢体轻约30%至40%。

为了减少焊接变形并防止不锈钢材料的机械性能在高温下劣化,点焊技术广泛用于车身的制造,并且使用接触焊接代替电弧焊接。外壁板与车身骨架之间采用电阻点焊连接,车身主轴承结构中梁与柱之间的接头焊接为点焊和插头焊接,拼接板材采用先进的缝焊方法。由于点焊头的强度低,因此难以满足接合部的强度,并且不锈钢体结构中的骨架的接合部分通过连接板连接。通过连接板的连接,不仅可以确保接头的强度,而且可以减小接头的变形,以确保车体[1]的外观。

2有限元模型和载荷条件

2.1有限元模型的建立

根据车体结构特点,采用msc.patran预处理软件建立车体有限元模型。

由于车身的结构和载荷基本上是纵向对称的,因此车身的1/2用于分析。为了避免开放式梁单元的应力变形,车顶,侧壁,端壁,底架和驾驶室柱均由高精度壳体单元pshell制成。侧门框架的加强槽铁使用固体单元psolid。刚性连接单元rbe2用于螺栓连接。在车体负载之后,力通过近10,000个焊点传递到车身的所有部分。因此,需要真实地反映点焊的特性。由于焊点比其周围结构更硬,因此刚性约束单元rbar用于建模和定义约束方程。结构底部的第二个悬架是弹簧加载的弹簧单元(水平和垂直)。有限元模型由167,448个节点,159,608个壳单元,18个实体单元,8986个rbar单元,156个rbe2单元和1014个弹簧单元组成。

在计算扭转条件和模态分析时,将整车作为计算模型。

2.2负载条件

根据标准[2],确定表3中的七个条件用于计算。车身使用空气弹簧,因此动态载荷系数k为1.1 [3]。

2.3载荷和边界条件的计算

有限元模型的载荷位置,尺寸和模式根据实际载荷条件并参照标准[2]进行处理。车体钢结构的重量通过惯性力的应用来反映,重力加速度为9.8m/s2;车身的其他重量除了钢结构和超重重量均以均匀的压力,垂直和空的形式施加在地板上当地板均匀承受2.79 kn/m2的力时,平均地板载荷为垂直载荷为6.29 kn/m2;汽车有两个空调机组,每个空调机组的重量均匀分布在空调机组上,空调均匀负荷为13kn/m2;纵向载荷为集中载荷,一半应用于挂钩在牵引梁上的安装位置,拉伸载荷为320kn,压缩载荷为400kn;将扭转载荷40kn/m施加到顶梁位置。

由于结构和负载的对称性,除了工作条件5之外,上述工作条件对纵向中心部分施加对称约束。所有工作条件都对弹簧施加垂直和横向约束。由于纵向仅需要约束刚体的位移,因此仅需要在车身一端的两个点处约束其纵向位移。

由于结构和负载的对称性,除了工作条件5之外,上述工作条件对纵向中心部分施加对称约束。所有工作条件都对弹簧施加垂直和横向约束。由于纵向仅需要约束刚体的位移,因此仅需要在车身一端的两个点处约束其纵向位移。

3计算结果分析

3.1压力分析

对于材料的允许应力,参考相关标准[2~5],并结合不锈钢体的特性,确定不同工况下的安全系数。对于仅垂直载荷的安全系数,安全系数为1.3,允许应力为材料的屈服极限除以安全系数;垂直载荷和纵向载荷的工作条件的安全系数为1.1,允许应力是材料的屈服强度。限制除以安全系数;扭转条件的安全系数为1.3,允许应力是对称循环疲劳极限除以安全系数。各种工作条件下材料的允许应力值如表4所示。

在合成条件1中,驾驶室骨架的最大应力113mpa发生在前端和下框架接头处,并且端架256mpa的最大应力发生在一端外垫的腹板的椭圆孔侧。波纹底板384mpa的最大应力发生在一个端壁和承梁的交叉处。底架梁365mpa的最大应力发生在第一梁和两端侧壁的连接处。窗口角度270mpa的最大应力发生在前侧门和盲柱的小窗口的交叉处。侧壁柱288mpa的最大应力发生在盲柱和小窗口的连接处。可以看出,车身的结构应力在允许的应力范围内(图3)。在合成案例2中,驾驶室骨架的最大应力201mpa发生在驾驶员侧门和车顶连接处。 256mpa末端框架的最大应力发生在两端摇枕下端的弧形处。波纹底板412mpa的最大应力发生在两端摇枕的中间。底架梁的最大应力发生在一端的第二梁与侧壁的交叉处。门框300mpa的最大应力发生在前门拐角处。顶板的最大应力357mpa发生在与中心立管的交叉处。可以看出,除了驾驶室骨架超过允许应力外,其他应力都在允许的应力范围内。在垂直工作条件下驾驶室骨架的应力较小,在合成工况下应力较大,这可能与侧壁与顶板的螺栓连接有关。在纵向载荷下,剪切力由驾驶员的骨架和车顶关节产生(图4)。

在其余条件下,应力相对较小,强度检查合格。

根据计算结果,发现两种情况的应力集中,一种是由耐候钢材料和不锈钢材料之间的点焊引起的(图5),另一种是由结构引起的(图6)。从图5中可以看出,焊接在外侧梁上的内侧下侧梁上的点焊是由约70mm的应力集中半径和约194mpa的最大应力引起的。摇枕的结构如图6所示。周围区域的应力集中半径约为45mm,最大应力约为254mpa。如果两个应力集中区域叠加,则应力的总和将超过风化钢材料的容许应力。

3.2刚度分析

在垂直总载荷条件下,侧壁侧梁相对于转向架支撑点的最大挠度值计算为9.9mm,小于12.6mm(标准[3]寻求车身静态挠度不在最大垂直载荷下超过2,转向架支撑点之间距离为1‰“)根据标准[3]中的计算公式,弯曲刚度ej为3.99×108n/m2,相对扭转角为φ车体为3.73×10-3rad;等效扭转刚度gjp为1.35×108nm 2/rad。

车身有限元计算的抗弯刚度和抗扭刚度小于其他城市轨道交通B型车辆的抗弯刚度和抗扭刚度。原因是不锈钢的弹性模量仅为钢的85%,另一方面,它受车身截面尺寸,侧门宽度大,上门之间距离的影响框架和平屋顶仅300毫米。

3.3模态分析

为了避免车身模式和转向架固有频率的共振,车轮与轨道之间的力大大增加,乘坐舒适性降低,驾驶安全性受到威胁。需要对车身进行模态分析。该计算不对车身施加任何约束,并使用msc.nastran提供的运动自由边界条件来消除无约束刚度矩阵的奇异性。第一个6阶振动频率如表5所示。通过与中国其他地铁和轻轨的固有频率比较,结果基本相同,满足需求。4计算和测试结果的比较

4.1强度比较

四方车辆研究所给出了天津快速车辆静强度试验的结果,但试验的合成条件1和合成条件2是根据静载荷和纵向载荷1.1倍合成的。因此,不可能在合成条件下比较应力。此外,大多数测试结果给出了测量点的单向应力。表6列出了在相同位置和相同方向上的有限元计算结果和测试结果。

从表6可以看出,在相同位置处比较相同的方向应力,并且计算结果与测试结果不同,但趋势是相同的。

4.2刚度比较

在垂直总载荷的情况下,车辆中心的最大挠度为10.1mm,等效弯曲刚度计算为3.91×108nm2,等效扭转刚度计算为1.30×108nm 2/rad 。测试结果表明,计算结果与测试结果基本一致。

5结论和建议

(1)利用壳单元模拟车体钢梁结构,采用刚性单元形成的约束方程,采用点焊和螺栓连接的有限元方法,可以更好地反映轻质不锈钢车身的结构特点。

(2)计算结果表明,轻质不锈钢体的强度和刚度可以满足使用要求,强度和刚度的计算结果与试验结果基本一致。

城市轨道车辆轻质不锈钢车身有限元分析

(3)从计算结果可以看出,焊点和结构可能导致应力集中。因此,在制定这种类型的车辆技术时,应注意避免在结构易于应力集中的区域中放置焊点,并且还要控制焊点间距以避免焊接。这些点相互影响。

引用

1姚曙光,徐平。轻质不锈钢车身结构研究。城市轨道交通研究,2004(5)

2tb/t1335-1996铁路车辆强度计算和试验识别规范

3gb/t7928-2003地铁车辆通用技术条件

4日本工业标准(jis)e7105-1989铁路车辆车身结构试验方法

5欧洲标准en12663: 2000,rail-wayapplications.structuralre-quirementsofrailwayvehiclebodies



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