（交通运输工程专业论文）高速动车组车体结构强度及动态特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本文以c r h 5 型高速动车组为主要研究对象，采用计算机仿真分析 技术、物理试验和理论计算等相结合的方式，对该车车体结构强度及动 态特性进行了研究和消化吸收，主要研究内容包括： ( 1 ) 基于有限元仿真分析技术对c r h 5 型m 2 s 车整车车体结构强度可 靠性进行研究，并对该车进行等工况的试验验证，了解该车的薄弱部位， 同时掌握通过有限元仿真分析技术进行整车车体结构强度的仿真分析方 法。 ( 2 ) 根据模态计算理论及有限元仿真分析技术，对c r h 5 型m 2 s 车车 体结构模态特性进行全面的分析，了解m 2 s 车车体频率特性规律，为 设计改进提供数据参考。 ( 3 ) 依据车辆动力学相关理论，研究车体弹性、不同的轨道谱对车辆平 稳性指标的影响规律。并以c r h 5 型m 2 s 车为主要研究对象，分别建 立基于车体弹性和刚性的高速客车非线性动力学模型，并分别在不同的 轨道谱下，对该车车辆平稳性指标进行对比计算，掌握车体弹性、不同 的轨道谱对车辆动力学性能的影响特性。 ( 4 ) 对车辆动态限界计算方法进行研究，并完成相关的程序开发工作， 并以c r h 5 型m 2 s 车为研究应用对象，进行车辆动态包络线计算，掌 握车辆动态包络线计算过程。 通过本文的研究，使作者能够对有限元仿真分析技术、动力学仿真 分析技术、车辆动态限界理论计算方法等在机车车辆制造领域的应用有 了更加深刻的理解和认识，逐步达到在实际工作中熟练应用的程度。 关键词：动车组，强度，模态，动力学，动态限界 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t a k i n gt y p ec r h 5h i g h s p e e de m ut r a i na sar e s e a r c he x a m p l e ， t h ec a r b o d ys t r u c t u r e s t r e n g t ha n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h e v e h i c l es y s t e ma r es t u d i e db ya d o p t i n gt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ep h y s i c a lt e s t t h i st h e s i si n c l u d e st h ef o i l o w i n g r e s e a r c h e s ： ( 1 ) f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g yi su s e dt os t u d yt h ec a r b o d y s t r u c t u r es t r e n g t ha n dr e l i a b i l i t yo ft h em 2 sc a ro fe m uc r h 5 ，a n d t h en u m e r i c a lr e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h et e s tu n d e rt h es a m ew o r k i n g c o n d i t i o n d t h u s ，t h ew e a kp o s i t i o n so ft h ec a rc a nb ef o u n do u t ，a n d a tt h em e a nt i m et h ef e ma n a l y s i st e c h n o l o g yf o rc a r b o d ys t r u c t u r e s t r e n g t hc a nb eb e t t e ru n d e r s t o o d ( 2 ) b a s e do nt h em o d a la n a l y s i st h e o r ya n df e mm e t h o d ，t h e c a r b o d ys t r u c t u r em o d ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em 2 sc a ri se x t e n s i v e l y a n a l y z e d t h e n t h e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so ft h e c a r b o d yi s o b t a i n e dw h i c hc a no f f e rt h er e f e r e n c ed a t at oi m p r o v et h ec a r b o d y d e s i g n ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h er e l a t e d t h e o r yo f v e hi c l e d y n a m i c s ，t h e i n f l u e n c eo fc a r b o d yf l e x i b i l i t y ，t r a c ki p u ts t r e c t r u mo nt h ev e h i c l er i d e p e r f o r m a n c ei si n v e s t i g a t e d t a k i n gm 2 sc a ra sa ne x a m p l e ，t h e n o n l i n e a rd y n a m i cm o d e l so f t h eh i g hs p e e dv e h i c l ea r ee s t a b l i s h e d f o rb o t hf l e x i b l ec a r b o d ya n dr i g i dc a r b o d y t h er i d ei n d i c e so ft h e v e h i c l ea r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e du n d e rd i f f e r e n tt r a c ks p e c t r u m i n p u t si no r d e rt ob e t t e ru n d e r s t a n dt he f f e c t so fc a r b o d ye l a s t i c i t y a n dt r a c ki n p u t so nt h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ( 4 ) t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fr o l l i n g s t o c kd y n a m i c g a u g ei s s t u d i e da n dt h er e l e v a n ts o f t w a r ed e v e l o p m e n ti s c o m p l e t e d t h e m 2 sc a ri st a k e na sa ne x a m p l ea n dt h ek i n e m a t i ce n v e l o p eo ft h e c a ri sc a l c u l a t e d t h m u g h t h e s t u di e si nt hi s r e c o g n i z e dt h ea p p l i c a t i o n o ft h e t he s i s ，t h eau t h o rh a sb e t t e r f e ma n a l y s i sm e t h o d ，d y n a m i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1il 页 s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dd y n a m i cg a u g ec a l c u l a t i o ni nt h ef i e l do f r o l l i n gs t o c km a n u f a c t u r i n g ，a n dg r a d u a l l yp o s s e s s e st h ea b i l i t yt o a p p l ya l lt h e s em e t h o d ss k i l l f u l l yi nt h ea c t u a lw o r k k e yw o r d s = e m u ，s t r e n g t h ，m o d e ，d y n a m i c s ，d y n a m i cg a u g e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、 裂文作者签名挎万鸟日期： vv v 1 删户 ，亏幺j l 1 、 氢叩 签 切 醛 砂 老 ： 导期 指日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 本文的主要创新性工作及研究成果如下： 本文以c r h 5 型高速动车组为主要研究对象，采用计算机仿真分析 技术、物理试验和理论计算等相结合的方式，对该车车体结构强度及动 态特性进行了研究和消化吸收，主要研究成果包括： 基于有限元仿真分析技术对c r h 5 型m 2 s 车整车车体结构强度可靠 性进行研究，并对该车进行等工况的试验验证，了解该车的薄弱部位， 同时掌握通过有限元仿真分析技术进行整车车体结构强度的仿真分析方 法。 根据模态计算理论及有限元仿真分析技术，对c r h 5 型m 2 s 车车体 结构模态特性进行全面的分析，了解m 2 s 车车体频率特性规律，为设计 改进提供数据参考。 依据车辆动力学相关理论，研究车体弹性、不同的轨道谱对车辆平 稳性指标的影响规律。并以c r h 5 型m 2 s 车为主要研究对象，分别建立 基于车体弹性和刚性的高速客车非线性动力学模型，并分别在不同的轨 道谱下，对该车车辆平稳性指标进行对比计算，掌握车体弹性、不同的 轨道谱对车辆动力学性能的影响特性。 对车辆动态限界计算方法进行研究，并完成相关的程序开发工作， 并以c r h 5 型m 2 s 车为研究应用对象，进行车辆动态包络线计算，掌握 车辆动态包络线计算过程。 学位论文作者签名： 日期： 酾耄 跏7 、2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 1 。1 。1 国内外动车组发展现状 铁路运输具有速度快、运量大、能耗低、污染轻、安全性好等诸多 优点，一直都是世界各国现代化交通运输体系中最为重要的运输手段， 【1 1 在国民经济的发展过程中起着“中流砥柱”的作用【1 】【2 1 。 在国外，2 0 0 k m h 及以上速度动车组已是成熟技术，目前世界上运 行2 0 0 k m h 及以上速度动车组的国家已有法国、日本、德国、意大利、 瑞典、英国、西班牙、美国、奥地利、荷兰、比利时、瑞士、挪威、芬 兰、俄罗斯、韩国等国家【3 】，其中法国、日本、德国、意大利、瑞典、 英国、瑞士、挪威、俄罗斯等国拥有2 0 0 k m h 及以上速度动车组的自主 知识产权 4 1 ，法国、日本、德国、意大利、瑞典、英国等国所开发的t g v 、 新干线列车、i c e 、e t r ( p e n d o l i n o ) 、i c 系列2 0 0 k m h 及以上速度动 车组皆为制造企业( 公司) 或运营铁路公司或国家铁路专利产品。其中 法国的t g v 系列、日本的新干线系列、德国的i c e 系列、意大利的e t r ( p e n d o l i n o ) 系列高速动车组更是享誉世别5 1 。 在国内，我国自主研发的最高速度等级的旅客列车的构造速度仅为 1 6 0 k m h ，实际的最高运行速度一般在1 4 0 k m h 左右。动车组的开发刚 刚起步，虽然制造了“蓝箭号”、“先锋号”、“中华之星”、“长白山号”等电 动车组样车，但未能形成任何具有独立知识产权与专利的产品【6 】。按照 国务院批准通过的中长期铁路网规划的目标，我国将建立“四纵四横” 的快速客运网络体系，建成多条快速客运专线，到2 0 1 2 年高速客运专 线将达到1 3 0 0 0 公里，因此，近几年内对2 0 0 k m h 及以上速度动车组 的需要量巨大。这对轨道交通装备提出了更新、更快、更高的要求，我 们必须尽快解决国内高速轨道交通装备的制造水平、能力与需求之间的 矛盾。我国铁路运输装备制造水平与国外先进水平相比，不仅差距大， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 而且还正在逐渐拉大。其主要原因是我们没有掌握2 0 0 k m h 及以上速度 动车组的相关核心技术【”。因此，引进国外先进的产品和技术，经过消 化吸收，掌握核心技术，提升自主创新能力，在高起点上起步，开发出 具有中国自主品牌的高速轨道交通装各产品，符合我国铁路事业长远发 展。 1 12c r h 5 型动车组基本情况介绍 c r h 5 型动车组为世界著名的p e n d o u n o 系列高速动车组衍生产 品，该产品为动力分散型电动车组，采用八辆编组，一辆一等座车、一辆 带酒吧的二等座车、一辆带残疾人卫生间的二等座车、五辆二等座车。两 个动力单元，五动三拖结构。列车总长度2 5 0 0 m m ，头车长度2 7 6 0 0 m m ， 中间车长度2 5 0 0 0 m m ，车辆定距1 9 0 0 0 m r n ，车体宽度3 2 0 0 m m 车体高 度3 7 3 0 m m ，列车运营速度2 5 0 k m h ”。动车组运行时采用单弓受流方式， 另一个各用：牵引系统使用交直交传动方式；主变压器使用油冷方式；牵 引变流器使用成熟的i g b t 技术；异步牵引电机采用体悬方式，由万向轴传 递牵引力；转向架上只有齿轮箱，较大地降低了转向架的簧下重量，改善 了动力学性能【9 】。列车编组形式如下图1 - 1 所示： m c 2m 2 st p 毛= 墨重孟产；雷；产巴蟊： 碧强鬻圈醮蝴簿璺强鬃瞎睦蕺h 簦鬃豳圉骥重酲 此t 2 ； ”= 茜；哩i = _ 2 1 。_ = _ i t p b 姗 m c l 一 i j e _ 。号苦重；产2 _ 1 5 笆三嚯! 茴： 4 ”5 2 ；、 叠i 区蛩l i 强滓奢i 圈蹙匿翻瞪：_ ，圈睡l 目嘲 图1 1c r h 5 型动车组编组 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 论文研究目的及技术可行性分析 1 2 - 1 研究目的 以我国动车组，尤其是时速2 0 0k m h 以上的高速动车组为例，在 其研制过程中，尽管借鉴了国外许多先进技术，也采纳了铁路大提速以 来车辆行业积累下来的许多成熟技术，但是在整体性能上，尤其是可靠 性，与国外差距十分明显。对于国外动车组的关键技术，经常是“知其然， 不知其所以然”。在学习国外动车组时，我国的动车组很难做到“既要形 似，也要神似”。c r h 5 型动车组作为目前世界上2 0 0 k m h 速度等级上 最为先进的产品之一，我们对其核心技术知之甚少，只有通过全面消化 吸收引进的2 0 0 k m h 动车组技术后，企业才能通过国产化生产与引进原 型车具有同等技术质量标准的动车组产品，制造出符合铁道部“先进、成 熟、经济、适用、可靠”要求的2 0 0 k m h 及以上速度动车组。为铁路建 设“四纵四横”的快速客运网络提供重大运输技术装备，满足铁路客运市 场的基本要求，带来巨大的经济效益和社会效益【l 们。 1 2 2 技术可行性分析 我国从“九五”期间开始了对计算机仿真分析技术的跟踪研究，取得 了初步的研究成果。目前，计算机仿真分析技术己成为提高行业竞争力 的一个关键技术，这一认识已成共识。随着我国市场化推进速度的加快， 产品在市场中的竞争日趋激烈，计算机仿真分析技术的需求明显增加。 尽管整体上与国外相比还有一定差距，但是，像任何一个好的技术一样， 计算机仿真分析技术已经成为科学技术进步的一个必然结果。因此，在 消化吸收动车组过程中，只有采用计算机仿真分析技术才能在最短的时 间内，再现其物理性能的行为及其演变过程，以最低的成本解剖国外先 进的设计理念。为公司实现核心技术自主创新，构建能力创新平台而打 下坚实的理论基础与技术基础，具有十分深远的应用价值和研究意义。 1 3 主要研究内容介绍 本研究以c r h 5 型动车组的技术引进为背景，以c r h 5 型动车组中 m 2 s 车为主要研究对象，采用计算机仿真分析技术、物理试验和理论计 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 算等相结合的方式，对m 2 s 车车辆性能进行了深入研究，主要研究内 容为： ( 1 ) 基于有限元仿真分析技术对c r h 5 型m 2 s 车整车车体结构强度可 靠性进行研究，并对该车进行等工况的试验验证，了解该车的薄弱部位， 同时掌握通过有限元仿真分析技术进行整车车体结构强度的仿真分析方 法。 ( 2 ) 根据模态计算理论及有限元仿真分析技术，对c r h 5 型m 2 s 车车 体结构模态特性进行全面的分析，了解m 2 s 车车体频率特性规律，为 设计改进提供数据参考。 ( 3 ) 依据车辆动力学相关理论，研究车体弹性、不同的轨道谱对车辆平 稳性指标的影响规律。并以c r h 5 型m 2 s 车为主要研究对象，分别建 立基于车体弹性和刚性的高速客车非线性动力学模型，并分别在不同的 轨道谱下，对该车车辆平稳性指标进行对比计算，掌握车体弹性、不同 的轨道谱对车辆动力学性能的影响特性。 ( 4 ) 对车辆动态限界计算方法进行研究，并完成相关的程序开发工作， 并以c r h 5 型m 2 s 车为研究应用对象，进行车辆动态包络线计算，掌握 车辆动态包络线计算过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章m 2 s 车车辆仿真分析模型建立 2 1 车体有限元仿真分析模型建立 本次m 2 s 车车辆有限元模型建立采用专业的仿真分析软件 h y p e r m e s h8 0 和a n s y s1 0 0 软件完成，动力学仿真分析模型的建 立采用专业动力学软件v a m p i r e4 3 2 完成。 2 1 1 车体几何模型建立 1 车体基本结构介绍 c r h 5 型动车组车体采用了世界著名的p e n d ol | n o 系列高速动车 组成熟的铝合金车体结构，其基本结构由底架、侧墙、车项、外端墙、 内端墙几大部件组成。车体为鼓形、整体承载筒形结构。整个断面由1 2 种共2 2 块中空、闭口、薄壁、通常的挤压铝型材插接组焊而成，型材 长度与车体基本等长。其中底架型材4 种、共7 块，厚度为7 0 m m ，侧 墙型材4 种、一、二位侧共8 块，厚度为5 0 m m ，车顶型材4 种、共7 块，厚度为5 0 m m 。型材的牌号均为6 0 0 5 a t 6 。包括断面的1 2 种型材 在内，车体结构共用3 7 种型材。其中底架牵枕缓、外端墙立柱、端角 柱等承载部位的型材牌号选用6 0 8 2 t 6 ，其余选用6 0 0 5 a - t 6 。 车体各大部件在部件台位各自组焊后，在总组成台位先调整好底架， 再落两侧墙、车项、外端墙、内端墙，最后组对端角柱。端角柱易于煨 弯成型，在装配时容易保证它与侧墙的平度和塞拉门口的尺寸，有很好 的工艺性。 车体全长2 5 0 0 0 m m ，车辆定距1 9 0 0 0 m m ，车体宽度3 2 0 0 m m ，车 体高度3 7 3 0 m m ，底架地板上平面距轨面高度1 1 7 0 m m ，底架边梁下平 面距轨面高度1 0 0 0 r a m 。车体断面轮廓如下图2 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 - 1m 2 s 车车体断面结构图 2 几何模型建立 本文针对m 2 s 车车体结构特点，在二维工程图纸的基础上，进行合理 的简化，借助三维c a t 软件，建立m 2 s 车三维整车几何模型，车体结 构的三维模型见下图2 2 一图2 - 3 所示； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 夕 ；拶 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的一些基本原则。 ( 1 ) 网格数量 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来 讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所 以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。图2 - 4 中的曲线1 表示结构 中的位移随网格数量收敛的一般曲线，曲线2 代表计算时间随网格数量的 变化。可以看出，网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而 计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网 格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的 经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结 果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。 图2 - 4 位移精度和计算时间随网格数量的变化 在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅 是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度 要求相同的情况下应取相对较多的网格。同样在响应计算中，计算应力响 应所取的网格数应比计算位移响应多。在计算结构固有动力特性时，若仅 仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高， 则应选择较多的网格。在热分析中，结构内部的温度梯度不大，不需要大 量的内部单元，这时可划分较少的网格。 ( 2 ) 网格疏密 网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计 算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为 了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样， 整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。图2 5 是中心带圆孔方板的 四分之一模型，其网格反映了疏密不同的划分原则。小圆孔附近存在应力 集中，采用了比较密的网格。板的四周应力梯度较小，网格分得较稀。其 中图b 中网格疏密相差更大，它比图a 中的网格少4 8 个，但计算出的孔缘最 大应力相差1 ，而计算时间却减小了3 6 。由此可见，采用疏密不同的 网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减小。因此，网 格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是 不经济的。 雷曜 图2 - 5 带孔方板的四分之一模型 划分疏密不同的网格主要用于应力分析( 包括静应力和动应力) ，而计 算固有特性时则趋于采用较均匀的钢格形式。这是因为固有频率和振型主 要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均 匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计 算误差。同样，在结构温度场计算中也趋于采用均匀网格。 ( 3 ) 单元阶次 许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单 元称为高阶单元。选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或 曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高 精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂 时可以选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况 下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精 度和时间。图2 6 是一悬臂梁分别用线性和二次三角形单元离散时，其顶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 端位移随网格数量的收敛情况。可以看出，但网格数量较少时，两种单元 的计算精度相差很大，这时采用低阶单元是不合适的。当网格数量较多时， 两种单元的精度相差并不很大，这时采用高阶单元并不经济。例如在离散 细节时，由于细节尺寸限制，要求细节附近的网格划分很密，这时采用线 性单元更合适。 鱼元致量 图2 - 6 不同阶次单元的收敛情况 增加网格数量和单元阶次都可以提高计算精度。因此在精度一定的情 况下，用高阶单元离散结构时应选择适当的网格数量，太多的网格并不能 明显提高计算精度，反而会使计算时间大大增加。为了兼顾计算精度和计 算量，同一结构可以采用不同阶次的单元，即精度要求高的重要部位用高 阶单元，精度要求低的次要部位用低阶单元。不同阶次单元之间或采用特 殊的过渡单元连接，或采用多点约束等式连接。 ( 4 ) 网格质量 网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质 量太差的网格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、 网格面不过分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格质 量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标 度量。划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的 结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会 引起很大的局部误差。而在结构次要部位，网格质量可适当降低。当模型 中存在质量很差的网格( 称为畸形网格) 时、，计算过程将无法进行。图2 - 7 是 三种常见的畸形网格，其中a 单元的节点交叉编号，b 单元的内角大于1 8 0 。， c 单元的两对节点重合，网格面积为零。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 4 4 i 3 亭= = = = 弓 l c ) ： 图2 - 7 几种常见的畸形网格 ( 5 ) 网格分界面和分界点 结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材 料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件 特点，而不应让边界条件来适应网格。常见的特殊界面和特殊点有材料分 界面、几何尺寸突变面、分布载荷分界线( 点) 、集中载荷作用点和位移约 束作用点等。图2 8 是具有上述几种界面的结构及其网格划分形式。 圃匕p ii l i 购_ l 图2 8 特殊界面和特殊点网格划分 ( 6 ) 位移协调性 位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。为保证 位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点 或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间 须用多点约束等式或约束单元进行约束处理。图2 9 是两种位移不协调的 网格划分，图a 中的节点1 仅属于一个单元，变形后会产生材料裂缝或重叠。 图b 中的平面单元和梁单元节点的自由度性质不同，粱单元的力矩无法传 递到平面单元。 墨细 筮 惫 呼藤 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 网格布局 平砸 、 集牟 图2 9 位移不协调的网格划分 当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应 的对称特性( 如集中质矩阵对称) 。不对称布局会引起一定误差，如在图2 1 0 中，悬臂粱截面相对y 轴对称，在对称载荷作用下，自由端两对称节点1 、 2 的挠度值本应相等。但若分图b 所示的不对称网格，计算出的 y 1 = o 0 3 4 6 ，y 2 = 0 0 3 5 0 。若改用图c 所示的网格，贝j j y l 和y 2 完全相同。 目：9 , i l2 事 图2 1 0 网格布局对计算结果的影响 ( 8 ) 节点和单元编号 节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算 时间和存储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。但对复杂 模型和自动分网而言，人为确定合理的编号很困难，目前许多有限元分析 软件自带有优化器，网格划分后可进行带宽和波前优化，从而减轻人的劳 动强度。 2 m 2 s 车有限元模型建立 m 2 s 车车体结构的有限元网格离散采用h y p e r m e s h 软件完成，计 算求解采用a n s y s l 0 0 完成【6 】。整个结构离散为薄壳单元和实体单元， 对重要部位进行局部网格细划。对非承载构件和附属构件进行了适当简 化，车内各设备重量通过计算其重心及安装位置，以质量单元的形式施 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 加到相应的节点上整个车体结构共离散1 0 6 3 5 2 2 个节点，1 0 4 2 6 8 4 个单元，车体结构网格离散模型如下圈2 1 1 所示。 圉2 11m 2 s 车车体有限元网格模型 2 2 车辆动力学仿真分析模型建立 2 2 1v a m p i r e 软件介绍 v a m p i r e 是v e h i c l ed y n a m i cm o d e l l i n gp a c k a g ei nar a i t w a y e n v i r o n m e n t 的英文缩写，它将各种计算方法集成在该软件包中，快速 而有效的求解车辆动力学中的实际问题是一个完全针对铁路车辆动力 学开发的仿真分析软件。包含特征值分析、线性响应分析模块、瞬态响 应分析模块、准静态曲线分析、静态分析等五个核心分析模块。 2 - 2 2 动力学模型建立 在建立车体弹性的系统动力学模型时，仅考虑车体的垂向、横 向和扭转3 个振型的前一阶整体模态，由于模态计算的复杂性，动力学 建模只考虑车体模态，而摇枕、构架、轮对等由于其变形较小，仍考虑 成刚性，模型中考虑的非线性丰要是非线性的轮轨接触几何关系，非线 性轮轨作用力和非线性的悬挂力，见下图2 1 2 所示 ”i e ”】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 惫严蘸( 毒 一一二一8 ：沪 一一= f 矜 图2 1 2 考虑车体弹性的客车非线性动力学模型 c r h 5 型m 2 s 车整车系统由一个车体、两个枕梁、两个转向架构架、 两个牵引机构和四个轮对共计1 1 个实体组成，动力学仿真分析模型见 下图2 1 3 所示1 1 9 2 ”。 ：”鬯琶：v e h i c l ep l o t 。 蠕 = 裂：”o 。 ：。b u r 。n 。= 剑 圈2 1 3m 2 s 车车辆动力学仿真分析模型 2 。3 本章小结 模型建立是一 技术，更是一门艺术，模型处理的好坏直接关系到 仿真分析的成败，本次模型建立过程中，作者对模型的细节处理方面进 行了仔细研究，并对局部结构进行了最合适的简化处理方式，这对于提 高模型质量，增加仿真分析结果的可信度都是大有帮助的。 蕊 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章m 2 s 车车体结构强度研究 3 1 车体结构静强度分析 参照e n l 2 6 6 3 标准22 l 对铝合金车体结构进行车体静强度仿真分析， 同时为了更好的研究该车强度，验证有限元仿真分析的准确性，对该车 进行了等工况的车体静强度试验。 3 1 1 计算载荷 表3 - 1 卞体钢结构静强度计算载荷参数 车辆定j y e ( m m )整各质量( k g ) 钢结构重量转向架重量 t 9 0 0 04 0 1 8 58 1 9 07 8 6 0 最大超员载客压缩载荷( k n )拉伸载荷( k n ) 1 7 01 5 0 01 0 0 0 3 1 2 计算工况 根据e n l 2 6 6 3 ：2 0 0 0 的要求，本次计算共进行1 0 种工况分析，不 同工况下施加相应的载荷及约束。 垂向载荷工况1 垂向载荷工况为在车体上施加车体整各质量形成的载荷r r l w o = 4 0 1 8 5 k g ，在四个空气弹簧座处同时约束垂向位移，同在一位侧的两个 空簧座约束横向位移，同在二位端的空簧座约束纵向位移，工况加载示 意图见下图3 1 所示。 图3 - 1 工况1 加载示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 压缩载荷工况2 整各状态下车钩座承受15 0 0 k n 压缩载荷工况为在车体上旋加车体 整各质量形成的垂向载荷m w o = 4 0 1 8 5 k g ，在一位端车钩座部位施加 1 5 0 0 k n 纵向压缩载荷，在四个空气弹簧座处同时约束垂向位移和横向 位移，约束二位端车钩座的纵向位移，工况加载示意图见下图3 - 2 所示。 图3 2 工况2 加载示意图 3 压缩载荷工况3 最大载荷状态下车钩座承受1 5 0 0 k n 压缩载荷工况为在车体上施加 最大的垂向载荷i l l m l = 5 3 8 0 1k g ，在一位端车钩座部位施加1 5 0 0 k n 纵向 压缩载荷在四个空气弹簧座处同时约束垂向位移和横向位移，约束二 位端车钩座的纵向位移，工况加载示意图见下图3 3 所示。 图3 - 3 工况3 加载示意图 4 端部压缩载荷工冼4 整各状态下车端地板上方1 5 0 r a m 处4 0 0 k n 压缩载荷工况为在车 体整各质量形成的垂向载荷m w o = 4 0 1 8 5 k g ，在一位端车端地板上方 1 5 0 r a m 处施加4 0 0 k n 纵向压缩载荷，在四个空气弹簧座处同时约束垂 向位移和横向位移，约束二位端车钩座的纵向位移，工况加载示意图见 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 下图3 4 所示。 图3 - 4 丁况4 加载示慧圈 5 端部压缩载荷工况5 整各状态下车端车窗高度处3 0 0 k n 压缩载荷工况为在车体整备质 量形成的垂向载荷m w o = 4 0 1 8 5 k g ，在一位端车窃高度处施加3 0 0 k n 纵 向压缩载荷，在四个空气弹簧座处同时约束垂向位移和横向位移，约束 二位端车钩座的纵向位移，工况加载示意图见下图3 - 5 所示。 图3 - 5 工况5 加载示意图 6 端部压缩载荷工况6 整各状态f 车端上边梁高度3 0 0 k n 压缩载荷工况为在车体整备质 量形成的垂向载荷m w o = 4 0 1 8 5 k g ，在一位端车端上边梁高度施加 3 0 0 k n 纵向压缩载荷，在四个空气弹簧座处同时约束垂向位移和横向位 移，约束二位端车钩座的纵向位移，工况加载示意图见下图3 - 6 所示。 国3 - 6 工况6 加载示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 7 拉伸载荷工况7 整备状态下车钩座承受1 0 0 0 k n 拉伸载荷工况为在车体上施加车体 整备质量形成的垂向载荷m w o = 4 0 1 8 5 k g ，在一位端车钩座部位施加 1 0 0 0 k n 纵向拉伸载荷，在四个空气弹簧座处同时约柬垂向位移和横向 位移，约束二二位端车钩座的纵向位移，工况加载示意图见下图3 - 7 所示。 图3 7 工况7 加载示意图 8 拉伸载荷工况8 晟大载荷状态下车钩座承受0 0 0 k n 拉伸载荷工况为在车体上施加 最大的垂向载荷m m l = 5 3 8 0 1 k g ，在一位端车钩座部位施加1 0 0 0 k n 纵向 拉伸载荷，在四个空气弹簧座处同时约束垂向位移和横向位移，约束二 位端车钩座的纵向位移，工况加载示意图见下图3 - 8 所示。 l u u vh n 图3 - 8 工况8 加载示意图 9 崖车抬车工况9 整车抬车工况为在车体上施加垂向载荷11x m w ok g = 4 4 2 0 4k g ， 并在一位端、二位端枕粱位置分别施加11 倍转向架重量 1 1x 7 8 6 0 = 8 6 4 6 k g ，在四个架车位同时约束垂向位移，同在一位侧的两 个架车位约束横向位移，同在二位端的架车位约柬纵向位移，工况加载 示意图见下图3 - 9 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 圈3 - 9 工况9 加载示意图 1 0 一端抬车工况1 0 一端抬车工况为在车体上施加垂向载荷11x m w ok g = 4 4 2 0 4k g ， 并在二位端枕粱位置施加11 倍转向架重量11x 7 8 6 0 = 8 6 4 6 k g ，一位端 架车位约束垂向位移，二位端空簧座处约柬垂向位移、横向位移和纵向 位移，工况加载示意图见下图3 1 0 所示。 图3 - 1 0 工况1 0 加载示意图 3 1 3 车体材料性能及评定 表3 - 2 车体结构所用材料及其性能【2 2 】 使用 弹性模弹性桎限( m p a ) 材料 且 泊松 部位 里 比 ( g p a ) 非焊缝区焊缝区 7 003 厚度：t s 5 mr n2 1 5厚度：住5 r a m 1 4 0 车体 厚度： 6 0 0 5 a t 6 厚度： 断面 5 m m t s l 5 m 2 0 01 3 0 5 m m t s l 5 r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 厚度：t s 6 m m 2 6 0 厚度：t 区6 m m 1 6 9 底架 厚度： 厚度： 6 0 8 2 t 6 下部 6 m m t 12 5 2 5 5 6 m m t 12 5 m 1 6 5 m mm 厚度：t 6 m m 2 6 0 厚度：t 6 m m 1 6 9 6 0 8 2 t 6端墙 厚度：厚度： 6 m m 2 6h z f ( 厂) = l 依平稳性指标确定车辆运行平稳性的等级列于表5 4 ，表5 4 中垂 向和横向采用相同的评定等级。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 表5 4 车辆运行平稳性的等级 平稳性等级评定平稳性指标 1 级 优w 2 5 2 级 良好2 5 w 2 7 5 3 级合格2 7 5 w 3 0 5 4 6 平稳性指标对比计算 1 横向平稳性指标 表5 5 横向平稳性指标计算列表( 轨道谱t r a c k 2 2 5 ) ：二： 1 4 01 6 01 8 02 0 02 2 02 5 0 测点位置 柔性车体 2 0 82 1 42 2 12 2 62 3 02 ，3 2 1 l e f t 刚性车体 2 0 42 0 82 1 52 1 82 2 42 2 7 柔性车体 1 9 92 0 12 0 42 0 92 1 42 2 1 c 刚性车体 1 5 91 6 01 6 21 6 51 6 91 7 6 柔性车体 2 0 62 1 12 1 92 2 32 。2 92 3 1 2 r i g h t 刚性车体2 0 32 0 62 1 12 1 42 2 12 2 5 图5 51 - l e f t 处车辆横向平稳性对比曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 图5 - 6c 处车辆横向平稳性对比曲线 图5 72 - r i g h t 处车辆横向平稳性对比曲线 表5 - 6 横向平稳性指标计算列表( 刚性车体模型) ：淑： 1 4 01 6 01 8 02 0 02 2 02 5 0 测点位置、 t r a c k 2 0 02 1 22 172 2 5 2 2 9 2 3 2 2 3 6 1 l e f t t r a c k 2 2 5 2 0 42 0 82 152 1 82 2 42 2 7 t r a c k 2 0 0 1 5 51 。6 1 1 7 21 。7 7 1 。8 21 ，9 0 c t r a c k 2 2 5 1 4 91 5 01 5 21 5 51 5 91 6 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 t r a c k 2 0 0 2 0 92 1 62 2 22 2 82 3 12 3 5 2 - r i g h t t r a c k 2 2 5 2 ，0 32 0 62 1 12 1 42 1 92 2 5 图5 81 - l e f t 处车辆横向平稳性对比曲线 图5 - 9c 处车辆横向平稳性对比曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 图5 - 1 02 - r i g h t 处车辆横向平稳性对比曲线 2 垂向平稳性指标 表5 7 垂向平稳性指标计算列表( 轨道谱t r a c k 2 2 5 ) ：溢絮：! ： 1 4 01 6 018 02 0 02 2 02 5 0 测点位置 柔性车体 2 0 62 1 52 2 32 2 6 2 2 92 3 2 1 l e f t 刚性车体 2 0 32 0 92 1 62 1 9 2 2 32 2 8 柔性车体 1 9 82 0 2 2 0 6 2 1 1 2 2 32 3 3 c 刚性车体 1 5 81 6 1 1 6 3 1 6 6 1 6 81 7 8 柔性车体2 0 42 1 22 2 02 2 32 2 82 3 1 2 - r i g h t 刚性车体 2 0 22 0 7 2 1 1 2 15 2 2 12 2 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 图5 - 1 11 - l e f t 处车辆横向平稳性对比曲线 图5 1 2c 处车辆横向平稳性对比曲线 第4 6 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 图5 1 3 2 - r i g h t 处车辆横向平稳性对比曲线 表5 - 8 垂向平稳性指标计算列表( 刚性车体模型) 一 1 4 01 6 01 8 02 0 02 2 02 5 0 测点位置 t r a c k 2 0 02 1 22 2 12 2 72