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車輛不鏽鋼車體的強度有限元分析

發布於:2019-07-30 19:51
有限元分析

      不鏽鋼車體具有強度一重量比高,耐腐蝕性強,安全性高,使用壽命長和維護量少的特點,因此不鏽鋼車體對於列車輕量化、降低車輛和線路的維護費用有著重要意義。目前不鏽鋼車體已經在國外的城軌車輛中有了廣泛的應用。我國近年來也開始了對不鏽鋼車體的研究開發。不鏽鋼車輛相對傳統的碳鋼車輛而言,除了在材料上的區別外,還有著自身的結構特點。為確保機車車輛在工作狀態下的安全可靠,不鏽鋼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。而在施工設計後進行有限元分析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。本文結合國內某地鐵不鏽鋼車體的結構特點,建立了車體結構的有限元模型,對其強度進行計算分析。
      該地鐵不鏽鋼車輛屬於B型車,包括頭車和中間車,其車體主要承載件,除頭車司機室和牽枕緩部件由鋼構件焊接而成外,其餘構件均由不鏽鋼SUS301和SUS304焊接而成,主要焊接形式是點焊和圓弧焊。頭車車體結構包括司機室、側牆、底架、車頂和端牆5部分;中間車車體結構不帶司機室,端牆為前後兩個,其餘結構與頭車基本相同。以下分析主要結合中間車車體結構進行。不鏽鋼中間車車體鋼結構采用整體承載無中梁的薄壁筒形結構。底架骨架主要由牽引梁、枕梁、緩衝梁、中部橫梁和連接板組成。為了滿足強度要求,在枕梁及枕梁以外的牽引梁處均加了補強板。為了使力傳遞到車體中部,在枕梁以內還加了縱向加強梁。側牆骨架主要由側牆下邊梁、側牆立柱、側牆橫梁、門框、加強橫梁和連接板組成。端牆骨架主要由端立柱、端橫梁、補板和連接板組成。車頂骨架主要由車頂邊梁、車頂橫梁,平頂縱、橫梁等組成。區別於傳統的碳鋼車體骨架梁件之間的搭接縫焊連接,不鏽鋼車體主要采用連接接頭連接。該車參考日本輕型不鏽鋼車輛的骨架連接方式,通過對車體各骨架連接部位設計的歸納分析,大多數接頭采用一種基本的連接方式—立體接頭連接。   
      接頭中連接板1與側牆板、車窗橫梁、側立柱之間采用雙排點焊連接;連接板2與窗間橫梁、腰帶梁、側立柱腹板之間采用塞焊連接;連接板3與車頂邊梁塞焊連接、與側牆上方小立柱蓋板雙排點焊連接。這樣既可以保證接頭的強度,又可以減少側牆車窗橫梁、腰帶梁和側立柱蓋板、腹板和翼板的焊接變形,保證車體外觀的平整度。不鏽鋼車體結構中底架橫梁和底架邊梁之間,車頂彎梁與車頂上邊梁之間,端牆立柱與端牆橫梁之間等都采用這種立體接頭的連接方式,隻是連接板的結構稍有不同。   
      在側牆、車頂和端牆骨架外麵,底架骨架上麵分別點焊有側牆板、端牆板、車頂板和波紋地板。值得注意的是,為了增加側牆板和端牆板碳鋼車中稱為蒙皮的剛度,減少局部振動,在側牆板和端牆板的縱、橫梁之間增加有加強橫梁如圖所示,但這些加強橫梁與側牆或端牆的縱橫梁並不焊接,而是直接與側牆板或端牆板點焊連接。
      在分析了不鏽鋼車體的結構特點的基礎上,結合材料的力學性能,采用有限元軟件ANSYS建立車體的有限元模型。由於不鏽鋼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mass21的形式施加在各自的位置上;二係懸掛采用彈簧單元combin進行模擬;內裝、管線等垂直荷載以均布荷載施加在地板上。



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