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鋁合金車體結構設計和有限元分析

發布於:2019-07-22 18:14
有限元分析

      鋁合金材料以其重量輕、耐腐蝕性好和易於采用擠壓方法成型等優點成為鐵路機車車輛製造業中的理想材料。為確保機車車輛在工作狀態下安全可靠,鋁合金車體結構同樣要求具有足夠的強度和剛度,並滿足相關技術標準。目前機車車輛車體結構的強度計算分析主要采用有限元分析。在施工設計後進行有限元計算可以檢驗設計的合理性和結構是否達到設計要求,並對車體結構改進提供科學依據。該文結合國內某地鐵鋁合金車體的結構特點,建立了車體結構的有限元模型,對其強度進行了計算分析。
      該地鐵鋁合金車輛屬於B型車,包括動車和拖車,其車體主要承載件幾乎全部由鋁合金YL104構件焊接而成。鋁合金頭車的側牆采用大型開口彎曲型材對焊的結構,側牆門窗較多並且開口較大。門與窗、窗與窗之間及門口周圍采用大型開口彎曲型材。門口及窗口采用補強措施。采用此種形式可以避免板、梁焊接結構引起的牆板變形。車頂為自承載結構,采用有足夠剛度的密封中空擠壓型材插接而成。型材內側表麵設內頂、風道等安裝用的C形槽。邊梁采用大型擠壓型材,中間部分采用開口鋁合金寬幅擠壓型材,上邊梁車頂與側牆共用。車頂局部結構如圖所示。側牆采用中空擠壓型材插接而成,縱向對接接頭采用MIG自動焊接,組裝之後切除窗孔。圖為鋁合金車體側牆局部結構。底架由2根空腹多室斷麵的側梁、若幹寬幅空心薄壁析架式斷麵的長大閉口型材及牽引梁、枕梁、緩衝梁、端梁等組成。邊梁、地板型材上部C形夾溝用來固定地板,並通過焊接管通風,以免形成冷凝水。邊梁、地板型材下麵的溝槽沿底架縱向布置,與型材一起擠壓成型。該結構是為吊裝車下設備而設置的。底架局部結構如圖所示。
      地鐵全焊接鋁合金頭車的車體結構有3種類型的材料:    ①牽引梁、枕梁、緩衝梁部件由7005-T6材料製成;②車窗框由YL104材料製成;③其餘部分部件由6005A-T6材料製成。所用材料的機械特性見表,在分析了鋁合金車體的結構特點和材料的力學性能的基礎上,采用有限元軟件ANSYS建立車體的有限元模型。由於鋁合金車的零部件基本是薄壁構件,所以車體結構全部采用殼單元shell63模擬;底架設備和空調、門窗以質量單元mass的形式施加在各自的位置上;二係懸掛采用彈簧單元combin 14進行模擬內裝、管線等垂直荷載以均布荷載施加在地板上。在鋁合金車體結構設計中,車體主要承載部件(如底架、側牆、車頂、端牆等)一般采用大型中空截麵擠壓型材,整車結構由這些型材焊接、鉚釘或螺栓連接而成。因此鉚釘或螺栓連接的模擬對仿真計算的準確性有重要影響。對於鉚釘或螺栓連接,本文以相關節點的耦合和約束方程進行模擬。
      利用耦合和約束方程來進行模擬是有限元中建立節點自由度之間特殊關係的一項重要技術。利用這項技術能實現單元做不到的自由度連接。耦合技術迫使2個或多個自由度取得相同但未知的值。耦合自由度集包含1個主自由度和1個或多個其他自由度。鋁合金車體的有限元模型如圖所示。    考慮到車體結構的對稱性和節省計算時間,計算模型采用半個車體模型,取底架承載較重一邊。計算模型包括171712個節點,171169個單元。其中殼單元197405個,質量單元456個,彈簧單元2142個。耦合和約束方程數為91773個。鋁合金車體計算工況的確定此次計算分析參照國外相關地鐵車的計算報告和2003年7月開始實施的GB/T7928-2003《地鐵車輛通用技術條件》,並參照DIN EN485-2:2004《鋁和鋁合金一薄板、帶材和板材》、BS EN12663:2000《鐵道應用一軌道車身的結構要求》和BS8118: 1991《鋁結構應用第一部分:設計實施慣例》等標準,還參考了設計人員的意見,確定了鋁合金車體結構在正常和超常工作荷載負荷下的分析工況。


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