（光学工程专业论文）c80型重载货车车体结构的cae分析.pdf

摘要 摘要 货车的车体是供装载货物的部分，它的安全性是货物安全运输的保障。随着铁路货 车运输向“高速、重载 的发展，对于车体结构的承载能力、外观形状和运行安全的要 求也越来越高，因此c a e 技术在车辆设计领域得到了广泛应用。利用c a e 技术在生产 之初对车体进行强度计算，动力性能分析和稳定分析，查找结构的薄弱区域从而改进结 构，并在此基础上对车体侧墙焊接结构进行焊接变形的预测和控制，对于车辆结构的设 计、生产和提高焊接质量有着重要的指导意义。 在对车体分析技术发展研究现状综述的基础上，采用由浅入深的研究策略，以c s o 型专用运煤敞车为研究对象，分别从静强度分析、模态分析、稳定性分析和焊接变形预 测，进行了一系列深入研究，归纳起来，本文的研究工作主要有： ( 1 ) 运用i - d e a s 软件建立c s o 型专用运煤敞车车体的几何模型和有限元模型，计算 了三种工况条件下车体的当量应力和垂向弯曲刚度，结果均满足规范要求。 ( 2 ) 对车体的模态和稳定性进行了分析和研究。发现车体的振动模态较低，第一阶 振型为整车一阶扭转，模态频率为4 5 8 6 h z 。在车体的屈曲分析中，发现在2 8 0 0 k n 的 压缩载荷下，车体的侧墙板和地板发生失稳，因此在发生失稳的区域增加纵向粱，以增 加整车纵向刚度，从而提高车体的稳定性。 ( 3 ) 运用固有应变法对车辆的焊接构件侧墙进行焊接变形的预测，在现有结构和焊 接工艺条件下，薄板侧墙变形计算与实测结果一致，验证了仿真模型的正确性，从而证 明固有应变法是一种快速有效预测焊接变形的方法，可以运用于车辆焊接结构变形预测 和控制的研究中。 ( 4 ) 为了更好的控制侧墙的焊接变形，对影响焊接变形的各种结构参数和焊接参数 进行了研究，主要包括： 侧柱形式对侧墙焊接变形的影响，得到帽型钢侧柱比槽型侧柱有利于减小侧 墙的焊接变形； 运用正交田口试验方法，对影响焊接变形的焊接工艺参数进行正交试验设 计，得到工艺参数的最优配比，结果表明在侧墙的焊接变形预测中，板厚对焊接变形结 果的影响最大，薄板越厚，焊接变形量也就越小，其次是电压、焊接速度和电流。在所 提供的试验水平中，取板厚5 m m 、电压2 4 v 、电流1 8 0 a 和焊接速度6 0 0 m m m i n 时， 可得到最小的焊接变形量； 在跨距分布和薄板拼接方案对变形影响的研究中，发现构件的不同刚度分 配，在相同的焊接条件下，将引起不同焊接变形；不同的热量分布也会影响到最后的焊 接变形。因此控制焊接变形应该综合考虑焊接热输入量的多少和热量的分布形式，以及 人连交通大学t 学硕十学位论文 结构刚度分布情况，刚度小的区域焊缝应稀疏一些，以减少焊接的热输入量，增加侧墙 的整体刚度减少焊接变形。 关键词：重载货车；c e a 分析；焊接变形；固有应变 u a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo v e r - l o a d i n gw a g o nb o d yi st h ep a r tf o rl o a d i n gc a r g o ，a n di t ss e c u r i t yi st h e s a f e g u a r do fg o o d st r a n s p o r t w i t ht h er a i lf r e i g h tt r a n s p o r td e v e l o p m e n ta p p r o a c h i n g ”h i g h - s p e e d ，h e a v y - d u t y ”，t h er e q u i r e m e n t s o ft h ec a r r y i n gc a p a c i t y ，t h e s h a p ea n d a p p e a r a n c ea n dt h es a f eo p e r a t i o na r ei n c r e a s i n g l yh i g h t h e r e f o r ec a et e c h n o l o g yi n t h e v e h i c l ef i e l dh a s b e e nw i d e l ya p p l i e d b e f o r ep r o d u c t i o n ，c a et e c h n o l o g yc a nb ee m p l o y e d f o rt h ec a l c u l a t i o no fb o d ys t a t i cs t r e n g t ha n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n ds t a b i l i t y a n a l y s i s ，t h r o u g hw h i c ht h es t r u c t u r ew e a k n e s sc a nb ef o u n d i no r d e rt oi m p r o v et h a t b e s i d e s ， p r e d i c ta n dc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no fw e l d i n gu n i t s t h e s eh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e so f g u i d i n gf o rt h ed e s i g n ，p r o d u c t i o na n de n h a n c e m e n tw e l d i n gq u a l i t yo ft r u c k s o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h eb o d ya n a l y s i st e c h n o l o g y ，u s i n gt h e e a s y - t o d i g e s tr e s e a r c hs t r a t e g ya n dt h ec 8 0s p e c i f i c - c o a l - g o n d o l aa st h er e s e a r c ho b j e c t ， c a r r i e do u tas e r i e so fi n - d e p t h s t u d y ，f r o mt h es t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ， s t a b i l i t ya n a l y s i st op r e d i c t i o no fw e l d i n gd e f o r m a t i o n t os u mu p t h i sp a p e rs t u d i e sa r e ( 1 ) a p p l i e dt h es o f t w a r ei - d e a st oe s t a b l i s ht h eg e o m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h ec 8 0b o d y ，a n dc a l c u l a t et h ee q u i v a l e n ts t r e s sa n db e n d i n gs t i f f n e s so ft h eb o d y u n d e rt h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l t sm e e tt h en o r mr e q u i r e m e n t s ( 2 ) r e s e a r c ho nt h eb o d ys t a b i l i t ya n dm o d a l t h eb o d yh a sl o w e rv i b r a t i o nm o d e ，t h e f i r s tm o d ei st h ew h o l eb o d yt o r s i o nm o d ea n dt h ef r e q u e n c yi s4 5 8 6 h z i nt h eb u c k l i n g a n a l y s i s ，t h es i d ew a l lp a n e l sa n df l o o r so c c u r sb u c k l i n gu n d e r2 8 0 0 k nc o m p r e s s i o nl o a d s o e s t a b l i s h e db e a m si ni n s t a b i l i t yr e g i o nt oi n c r e a s et h ev e h i c l el o n g i t u d i n a ls t i f f n e s s t h e nt h e s t a b i l i t yo f t h eb o d yw a se n h a n c e d ( 3 ) b yu s i n go ft h ei n h e r e n ts t r a i nm e t h o d ，f o r e c a s tt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o no ft h e s i d e w a l l u n d e rt h e e x i s t i n g s t r u c t u r ea n dw e l d i n gp r o c e s sc o n d i t i o n s ，t h es i d ew a l l d e f o r m a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h em e a s u r e d t h a tv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h e s i m u l a t i o nm o d e la n dd e m o n s t r a t e st h ei n h e r e n ts t r a i nm e t h o di saf a s ta n de f f e c t i v ew a yt o p r e d i c tw e l d i n gd i s t o r t i o n ，a n dc a nb ea p p l i e dt ot h ep r e d i c t i o na n dc o n t r o ld e f o r m a t i o ns t u d y o ft h ev e h i c l e sw e l d e ds t r u c t u r e ( 4 ) i no r d e rt ow e l lc o n t r o lt h ew e l d i n gd i s t o r t i o no ft h es i d e - w a l l ，v a r i o u ss t r u c t u r a la n d w e l d i n gp a r a m e t e r sw h i c hh a v ei m p a c to nw e l d i n gd e f o r m a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d ，i n c l u d i n g ： t h es t u d yo ft h ej a m bf o r mt os i d e - w a l lw e l d i n gd e f o r m a t i o ni n f l u e n c e ，o b t a i n s t h eh a ts e c t i o nj a m bt ob em o r ea d v a n t a g e o u st h a nt h et r o u g hs e c t i o nj a m bi nr e d u c e st h e w e l d i n gd e f o r m a t i o no ft h es i d e w a l l ； b yu s i n gt h eo r t h o g o n a lt e s t ，c a r r y i n go nt h eo r t h o g o n a lt e s td e s i g nt ot h e w e l d i n gp a r a m e t e rw h i c ha f f e c t st h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n ，o b t a i n sm o s ts u p e r i o ra l l o c a t e d i i i p r o p o r t i o no ft h ep a r a m e t e r t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h et h i c k n e s so fp l a n e t si sb i g g e s t f a c t o r t ow e l d i n gd i s t o r t i o nr e s u l t s i ft h et h i ns t e e lp l a t ei st h i c k e r ，t h ew e l d i n ga m o u n to f d e f o r m a t i o ni ss m a l l e r t h en e x tf a c t o r sa r ev o l t a g e ，w e l d i n gs p e e da n de l e c t r i cc u r r e n t i na l l e x p e r i m e n t a ll e v e l sw h i c hw e r ep r o v i d e dw i t h ，m a yo b t a i nt h es m a l l e s tw e l d i n gd e f o r m a t i o n w h e nt a k e st h et h i c k n e s s5 m m ，v o l t a g e2 4 v ，e l e c t r i cc u r r e n t1 8 0 aa n dw e l d i n gs p e e d 6 0 0 m m m i n ； i nt h es t u d y i n go ft h es p a n sd i s t r i b u t i o na n d t h et h i ns t e e lp l a t es p l i c i n gp l a nt ot h e d i s t o r t i o ni n f l u e n c e sr e s e a r c h ，d i s c o v e r e dt h a tc o m p o n e n t sd i f f e r e n tr i g i d i t ya s s i g n m e n tw i l l c a u s et h ed i f f e r e n tw e l d i n gd e f o r m a t i o nu n d e rt h es a m ew e l d i n gc o n d i t i o n ；t h ed i f f e r e n t t h e r m a ld i s t r i b u t i o n sw i l la l s oa f f e c tt h ef i n a lw e l d i n gd e f o r m a t i o n t h e r e f o r et h ec o n t r o l w e l d i n gd e f o r m a t i o ns h o u l do v e r a l le v a l u a t i o nw e l d i n gh e a ti n p u tv a l u ea n dt h et h e r m a l d i s t r i b u t e df o r m ，a sw e l la st h es t r u c t u r er i g i d i t ya s s i g n m e n t w e l d e dj o i n t ss h o u l ds p a r s e s o m e w h a ti nt h es m a l l e rr i g i d i t yr e g i o nt or e d u c et h ew e l d i n gh e a ti n p u t ，i n c r e a s et h eo v e r a l l r i g i d i t yo ft h es i d e w a l la n dt or e d u c et h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：o v e r - l o a d i n gw a g o n ：c a ea n a l y s i s ；w e l d i n gd e f o r m a t i o n s ；i n h e r e n t s t r a i n 大连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太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：王女0 日期：如。c 【年( 月f 日 导师签名：乍薯氐鹰劳狮 日期： 如叼年 百月 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：唐山轨道客车有限责任公司 通讯地址：唐山市丰润区厂前路3 号 电子信箱：d a l w a n g h u i z i s i n a c o r n 电话：0 3 1 5 3 0 8 9 0 6 8 邮编：0 6 3 0 3 5 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：王七寻 日期： 如d c f 年舌月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 铁路运输自1 9 世纪投入运营以来，以其运输量大、速度快、安全、节能等优势成 为人类最重要的交通运输方式，对世界各国的经济发展起着十分重要的作用。近年来， 为了加快铁路运输的发展，我国先后从德国、法国和日本引进先技术，建造高速客运列 车和动车组并投入运营。在铁路的六次大提速后，旅客列车运行平均速度为1 6 0 k m h ， 货车运行平均速度为1 2 0 k m h ，并同时在提速干线上开行时速2 0 0 k m h 的动车组和货运 重载列车。在客货混跑的线路上，提高旅客列车速度的同时，必然会减少货物列车的运 行对数。因此，要想全面增加铁路的运能，就应在提高货物列车的速度的同时，发展重 载运输、研制大型货车、大幅度提高列车载重量。货车的车体是供装载货物的部分，它 安全性是货物安全运输的保障。随着载重的增大，对于车体结构的承载能力要求也随之 增加，研究运行安全可靠的车体结构是提高列车载重的首要问题【”】。 随着计算机技术的不断发展，o 垣技术在车辆设计领域得到广泛应用，如：车体结 构及其零部件的结构分析、整车模态分析、车体的线性和非线性屈曲分析、车辆模拟碰 撞分析、空气动力学分析和优化分析等。采用c a e 技术可以缩短新产品的开发周期， 提高设计质量，降低设计成本，节约大量的人力、物力和财力，因此国际上对c a e 技 术非常重视，目前已进入c a e 技术的建模、静动态分析、动态参数优化阶段，并向基 于计算机平台的虚拟设计发展。而国内虽然在车体设计c a e 技术研究和应用方面已做 了大量的工作，逐渐走向成熟和应用，但仍然有很多问题有待于研究解决。如由于软硬 件对模型规模的限制，模型的细化程度不够，分析结果比较粗略，大多用来进行结构方 案比较，离虚拟试验的要求还有较大的差距，特别是在焊接变形和残余应力的模拟上仍 然处于起步阶段。 在铁路车辆生产制造中，焊接是一个重要环节，有着广泛的应用。焊接过程是一个 包含着复杂的冶金物理化学反应和热处理的过程，会形成复杂的瞬态温度场和应力应变 场。在加热和冷却过程中，材料受约束而产生塑性变形，焊后结构中将留存下永久性的 非协调应变，从而产生相当大的残余应力和变形。其中焊接变形是影响结构设计完整性、 制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素，常见的焊接变形有收缩变形、弯曲变形、 波浪变形和角变形等【4 j ，如图1 1 所示。 在焊接构件生产中，若焊接变形超出了允许的数值范围，为了达到使用要求，需要 浪费很多的人力和财力进行矫j 下，有时矫j 下起来很困难，甚至可能因无法矫正而使已制 成的结构报废，这样不仅增加成本延长制造周期，而且会改变结构残余应力的分布状态， 乃至伤害结构细节，而留下疲劳隐患。而焊接变形的预测与控制一直是焊接工程中的难 1 人连交通大学：学硕十学位论文 题，目前我国的焊接t 艺仍基本依靠试验方法进行控制和调整这种通过实际工件的试 验调整是以付出大量的物力人力和时间为代价的。因此对于焊接变形预测和控制已成为 急需解决的问题。 筵零8i 霜廿 一一一- j l 二- 一d 触向收缩 横向收缩 匡挚、， 弯曲变形 波浪变形 i h 蹙彤 幽1 1常见的焊接变形形式 r g1 1 t h ec o m m o n 如珊s o f w e l d i n gd i s t o r t i a e 生产之初对车体设计方案进行强度计算，动力性能分析和稳定分析，可以查找结构 的薄弱区域辅助设计并优化结构：对焊接构件进行焊接变形数值仿真预测与控制，掌握 焊接变形规律，指导工艺设计，提高焊接质量。这对十提高我国车辆结构设计技术和生 产技术，节约生产成本，增强企业市场竞争能力具有重要意义。 1 2 车体分析技术的发展及现状 121 模态分析技术 在车辆实际行驶时，如起动、制动、转弯、惯性力和铁轨衔接处激励的影响作用在 各个部件上的载荷都是动载荷，即是时间t 的函数。因此，结构上的相应位移、应力和 应变不仅随其在结构中的空问位置变化，同时也随时间t 而变化。如果所受动载荷较大， 或者即使不大但作用力的频率与结构的某些固有频率接近，结构将产生共振从而引起 很高的动应力造成强度破坏或产生不允许的大变形，这时对结构进行固有频率及振动 第一章绪论 形式模态分析是必要的。同时，模态分析也可以作为其他动力学分析问题的起点，例如 瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。 根据研究模态分析的手段和方法不同，模态分析可分为试验模态分析和计算模态分 析。6 0 年代主要采用稳态正弦激振和测试技术的试验模态方法；7 0 年代，基于快速傅 立叶的动态信号分析和小型计算机在实验室广泛采用；7 0 年代末和8 0 年代初试验模态 分析系统发展为由数据采集、信号分析和通用小型计算机组成的计算机辅助试验系统， 计算机及相应模态分析软件成为试验模态分析的核心。试验模态分析是目前识别实际结 构的动力特性和解决复杂结构动力设计的重要手段。在激振技术中由于锤击激振简单易 行，在车体动态激振测试中获得了广泛的应用。随着计算机技术的发展，在有限元方法 的基础上逐渐发展起来计算模态分析，特别是9 0 年代以来，建立在有限元原理上的结 构分析软件已经相当成熟如：( i d e a s , a d i n a , n a s t r a n ，s a p ，a n s y s 等) ，它们已卓 有成效地应用于航空、航天、船舶、汽车和机床等工程结构的动态分析。这种方法的优 点就在于可以在设计之初，根据设计图纸，预知产品的动态性能，预估振动、噪声的强 度及其它动态问题，并可在图纸阶段改变结构形状以消除或抑制这些问题。对于复杂结 构来说是一种有效的预测方法1 5 6 j 。 ， 1 2 2 屈曲分析技术 屈曲分析即是结构的稳定性分析，是结构分析的一个重要组成部分，它所研究的是 特定形式的结构对特定形式的外荷载的响应特征。随着结构强度分析理论的日益完善， 对结构稳定性的分析和研究越来越重视。 近代稳定性理论的建立和发展是从薄壳受轴压这经典问题开始的。f l u g g c 和 d o n n e l l 分别于1 9 2 3 年和1 9 3 4 年指出了是由柱壳弯曲的初始缺陷造成的，钱学森和 k a r m a n 否定，并于1 9 4 1 年提出基于非线性大挠度方程的求解后屈曲的一般方法。k o i t e r 于1 9 4 5 年在其著名的博士论文中用摄动法研究了弹性结构的初始后屈曲性态，并提出 了初始缺陷敏感度的概念。但其理论只适用于变形很小的初始后屈曲阶段。s t e i n 在1 9 6 2 年提出了非线性前屈曲一致理论。不论是s t a i n 还是钱学森、g a g m a n ，他们的理论都是 建立在薄壳是完善结构的假定上的，即壳体足够长，两端的边界效应忽略不计。为完善 这一理论，陈铁云等人又提出了考虑两端边界效应的边界层理论，将k a r m a n - - d o n n e l l 大挠度方程化为边界层方程，并用摄动法进行了求解。所以近代稳定性理论逐渐发展为 三个分支：非线性大挠度理论、非线性前屈曲一致理论、初始后屈曲理论【7 8 】。 1 2 3 焊接变形预测技术 对于焊接变形预测和控制，2 0 世纪3 0 年代主要依靠经验法，即通过查找焊接手册 3 大连交通人学。r 学硕十学位论文 上的经验公式和数据曲线来估计焊缝纵向收缩量、焊缝横向收缩量、平板堆焊和t 型接 头的角变形等。这些经验数据是在一定条件下的试验或生产实际中得到的。由于真实结 构的复杂焊接变形是由多个基本变形组合而成，而且每个基本变形的作用不能通过有限 的实验结果来分清，所以实验法只能用于估算简单结构的特定变形。对于大型复杂焊接 结构的变形研究会造成成本消耗巨大且焊接质量难以保证。2 0 世纪5 0 年代开始用解析 法研究焊接变形，是基于经典弹性理论的研究。解析法只考虑了残余塑性应变，并假设 所有区域包括固有应变区都保持弹性，忽略了热弹一塑性过程。这种方法把焊接构件与 固有应变分布以数学方式理想化，这也正是解析法的缺点，如弹性理论问题的解决是有 限的，对于大型复杂结构来讲是不可能求解的。 近些年来焊接数值方法发展迅速，利用数值模拟技术可以预测焊接结构的残余变 形，全面掌握结构的特性，通过优化焊接方法、顺序和工艺，控制焊接变形，从而大大 地节约人力、物力和时间，是一种高效低成本的优化工艺的方法。目前常用来预测焊接 变形的数值模拟方法主要有以下几种： ( 1 ) 基于热弹塑性理论的有限元分析 这是当今应用最为广泛的焊接过程计算方法。焊接过程中的变形不仅与几何形状和 焊接条件有关，而且依赖于焊接材料的特性【9 1 。根据焊接的特点，在计算过程中不仅引 入了材料力学性能参数随温度变化的关系，而且考虑到不同阶段材料具有不同的力学行 为，采用不同的本构方程，能够动态地跟踪应力应变过程以及焊后的残余应力与变形， 因而可以更准确地模拟整个焊接过程。 热弹塑性分析目前最主要的问题是材料性能，特别是高温时的性能数据非常缺乏， 这给分析带来了很大困难，而且有些材料属性，特别是材料的屈服强度随温度变化的情 况，对计算结果的影响很大【1 0 】，如果处理不当，会引起相当大的误差。热弹塑性有限元 分析还有运算量很大的缺点，特别是对大型构件和复杂结构，有些即使能够分析也很不 经济，有时则不得不采用其他简化方法l l 卜乃l 。 ( 2 ) 固有应变法 固有应变是表征材料从应力状态切离后处于自由状态时，与基准状态相比所发生的 应型1 4 l 。焊接时的固有应变包括塑性应变、温度应变和相变应变。焊接构件经过一次焊 接热循环后，温度应变为零，固有应变就是塑性应变与相变应变残余量之和1 1 5 , 1 6 j 。固有 应变法的关键参数为固有应变量的大小和范围。在数值模拟中，将固有应变参数作为载 荷施加在结构上，因而可以进行简单的静载弹塑性分析，求解焊接残余应力和变形。该 方法将焊接过程的瞬态影响归纳到固有应变关键参数中，避免了数值模拟过程中的瞬态 分析和高温导致的计算难点，大幅度地缩短了计算时间，同时能够获得有一定准确度的 残余应力和变形值，因而得到了一定的应用。例如上海交通大学的汪建华等用这种方法 4 第一章绪论 进行了高精度液力变矩器的焊接变形控制【1 7 l ，哈尔滨工业大学的钟国柱等研究工作者在 进行直径1 2 米的大型法兰焊接中，利用有限元与固有应变法相结合有效地控制了焊接 变形【1 8 , 1 9 】等。 ( 3 ) 粘弹塑性有限元分析 材料在高温下具有粘弹塑性力学行为，在精确的计算中应该加以考虑。h a n i e d 在焊接过程的有限元模型中，采用了粘塑性以及对应变率敏感的材料模型建立了有限元 方程。根据p r a n d t l r e u s s 流动法则和v o nm i s e s 屈服条件建立了粘弹塑性有限元方程， 用于计算奥氏体钢的焊接热应力和变形，所得结果与实验吻合很好。在焊后进行高温热 处理的过程中，也需要引入蠕变应变进行粘弹塑性有限元分析。日本的y u e d a 等做了 很多基础性的工作，导出了指数和幂函数蠕变应变率下粘弹塑性有限元分析的各个表达 式。b lj o s e f s o n 对多道焊管局部热处理的应力重新分布进行了有限元分析。文献 2 0 】 考虑了蠕变现象，采用热粘弹塑性有限元方法，提出了一个评价局部焊后热处理效果的 直接方法，研究表明蠕变行为对局部焊后热处理过程中的热应力产生有重要影响。用该 方法还分析了局部焊后热处理的应力释放过程，得到7 ) j n 热宽度的直接判据1 2 1 j 。 ( 4 ) 残余塑性应变有限元方法 残余塑性应变理论认为：焊接时焊缝及其附近因热膨胀受到周围温度较低金属的拘 束，产生大量的压缩塑性应变，冷却后焊缝及其附近存在残余塑性应变( 简称残余塑变) 。 残余塑性应变的大小和分布就决定了最终的残余应力和变形。因此如果知道了残余塑变 的大小和分布，就可以通过一次弹性有限元分析求得整个构件的焊接应力和变形【2 2 1 。问 题的关键是如何确定残余塑变。残余塑性应变理论的源头可以上溯到奥凯尔勃洛姆和库 兹米诺夫的研究工作，至今仍在继续发展，残余塑变法最大的优点在于它可以避开运算 量极大的热弹塑性分析，仅用一次弹性有限元计算就可以解决问题，因而成为一种既能 解决大型复杂结构，又能比较经济地预测焊接变形的方法，有很大的实用意义和发展前 途。文献【2 3 】采用该方法计算了梁的纵向变形。近年来，上海交通大学的汪建华教授运 用该方法进行了大量的研究工作，取得了丰硕的成果。 1 3 本文的主要研究内容 本文将以c 8 0 型重载货车为研究对象，用有限元分析法对其在各种工况下的强度、 稳定性能、固有频率和振型进行仿真，为c s o 型重载货车的设计提供理论支持；并基于 固有应变理论预测该货车侧墙的焊接变形，研究了影响侧墙焊接的各种因素，为焊接构 件侧墙的结构设计和生产工艺提供支持依据。具体而言，本文主要的研究内容和工作包 括一下几个方面： 人连交通人学下学硕十学位论文 ( 1 ) 根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范的要求，建立了铁 路重载货车c s o 的几何模型和有限元模型，分析车体在各种载荷工况下的结构静强度和 刚度。 ( 2 ) 结合有限元模态分析理论，建立重载货车c s o 振动模态分析的有限元模型，并 计算了空车振动模态，分析仿真结果。 ( 3 ) 结合结构稳定性理论，对重载货车c 8 0 进行线性屈曲分析，讨论了其稳定性能 和特点，并对重载货车c s o 的失稳区域进行结构改良，提出有效提高车体受压结构稳定 性的方法。 ( 4 ) 基于固有应变法和薄板焊接的屈曲理论，对铁路重载货车c s o 侧墙生产制造中 的焊接变形进行预测，并与实际生产中的焊接变形进行对比。 ( 5 ) 对重载货车c 8 0 侧墙进行焊接变形进行控制研究。研究了侧墙的侧柱形式对侧 墙焊接变形的影响：针对影响焊接变形的焊接参数，设计正交试验，得出最优焊接参数 设计；改变侧墙的结构设计参数，得出侧墙跨距结构与焊接变形的关系；设计焊接拼接 方式，得到拼接与焊接变形的关系。 6 第二章c s o 型货车车体强度与刚度分析 第二章c 8 0 型货车车体强度与刚度分析 2 1c 踟车体结构 c 型敞车为8 0 吨运煤专用敞车，其结构性能适应实现2 万吨重载列车运输要求。 可与相应的港口码头拨车机、定位机和翻车机配套使用，可实现不摘钩连续翻卸作业， 并能适应环形装车、直进直出装车和解体装车作业。 2 1 1 车辆的参数 ( 1 ) 主要技术参数 载重( t ) 自重( t ) 总重( t ) 轴重( t ) 自重系数 每延米重( t m ) 容积( m 3 ) 比容( i n 3 t ) 车辆通过最小曲线半径( m ) 构造速度( k a n h ) 全车制动率( 常用制动位、 空车 重车 限界：符合g b l 4 6 1 标准轨距铁路机车车辆限界的规定。 ( 2 ) 主要尺寸 车辆长度( m m ) 车辆定足e ( m m ) 车辆最大高度( m m ) 车辆最大宽度( m m ) 车钩中心线空车高( m m ) 转向架固定轴距( m m ) 车轮直径( m m ) 门孔尺寸( 高x 宽，m m ) 8 0 2 0 1 0 0 2 5 o 2 5 8 3 3 8 7 1 0 9 1 4 5 1 0 0 2 8 5 1 5 1 1 2 0 0 0 8 2 0 0 3 7 9 3 3 2 0 2 8 8 0 1 8 3 0 8 4 0 9 6 5 7 8 0 大连交通人学t 学硕十学位论文 2 1 2 车体结构简介 该车车体结构为全钢焊接结构，主要由底架、侧墙、端墙和撑杆四部分组成。端墙、 侧墙与底架牢固地焊接在一起，并通过铆钉与底架紧固连接。 ( 1 ) 底架 该车的底架由中梁、枕梁、纵向梁、大横梁、小横梁及地板等组成。中梁采用3 1 2 高度的几字型冷弯型钢，屈服强度为4 5 0 m p a 。采用整体式上心盘及冲击座，并与牵引 梁组焊在一起，上心盘直径为3 5 8 m m 。 枕梁为双腹板箱形变截面结构，由上下盖板和两腹板焊接而成，上下盖板均厚 1 0 m m ，宽5 2 0 m m ，腹板板厚6 m m ，间距3 1 2 m m 。枕梁近中梁端为大端，近车体两侧 为小端，是一个近似的等强度鱼腹梁。在两组枕梁之间，分布有4 组大横梁和1 1 组小 横梁，大横梁为单腹板组焊梁，上盖板4 m m 厚，下盖板6 m m 厚，腹板5 m m 厚。小横 梁采用5 r a m 6 0 m m 8 0 m m 的折压槽形梁。枕梁与车辆的端部之间不再采用横梁作为 承载件，而设计为一组单腹板组焊的纵向梁承载，其上盖板和腹板厚5 m m ，下盖板厚 6 m m 。地板厚度为5 m m ，铺与底架的钢结构骨架上。 ( 2 ) 侧墙 侧墙由上侧梁、侧柱、门柱、上门框和侧板等组成，上侧梁为5 m m 8 0 m m 1 0 0 r a m 的冷弯矩形方管，共有1 0 根侧柱和1 根门柱，均采用6 m m x 8 0 m m x1 0 0 m m 的冷弯凹 面槽形梁，长度为2 5 8 0 m m 。上门框为4 6 0 8 0 的槽形梁，侧板厚度为4 m m 。并有板 厚为4 m m 的加强板和1 0 个板厚为5 m m 的支撑板，用以加强端墙与底架的连接，截面 半径为1 0 0 m m 圆弧型加强板以增加侧墙根部承载散粒货物的能力。 一 ( 3 ) 端墙 端墙由上端梁、横带、角柱和端板等组成。上端梁为5 m m 8 0 m m 1 0 0 r a m 的冷弯 矩形方管，横带为3 组，采用5 m m 1 2 0 m m 1 5 0 m m 的槽形梁，形成闭口断面，角柱 采用5 m m 1 6 0 m m 1 6 0 r a m 的角钢，端板厚度为4 m m 。端板下端折弯与地板搭接，并 有板厚为4 m m 的加强板和3 个板厚为5 r a m 的支撑板，用以加强端墙与底架的连接，截 面半径为1 0 0 m m 圆弧型加强板以增加侧墙根部承载散粒货物的能力。端墙下横带中间 与端墙板焊接垂向加强柱，该加强柱采用5 m m 2 0 0 m m 1 0 0 m m 折压槽形钢。 ( 4 ) 撑杆 为增强两侧墙之间的连结刚度，防止侧墙外涨，车内设有三组水平撑杆。撑杆于撑杆 座采用铰接结构连接。 8 ! = 兰生型丝兰! ：竺堡璧! ! ! 墨竺丝 圈2 1车体结构模型 22c 车体结构分析计算及评定标准 221 单元网格的划分 l 芏i2 2 1 4 车体有限元模型 f i g 2 2 t h ef e m m o d e lo f t h e l 4 b o d y w o r kb o d y 大连交通大学t 学硕十学位论文 c s o 型敞车的车体结构是一种典型的薄壳型结构，在利用有限元技术进行结构强度 分析时，采用板壳单元进行结构离散。因为主要考核车体的强度及刚度，所以凡是对该 车整体刚度及局部强度有贡献的结构，都予以考虑建立模型，而下侧门对与整车的强度 和刚度的贡献不大，这里没有建立下侧门的模型。车体结构是对称于横、纵两个中心面， 因此在不影响计算结果的前提下，几何模型和有限元模型均采用车体的1 4 建模。该模 型共划分了5 1 7 5 5 个单元，3 5 9 6 8 个节点，结构有限元模型参见图2 2 。 2 2 2 载荷的确定 根据c s o 型敞车的设计任务书并参考文献【2 4 】的要求，c s o 型敞车计算强度和刚度时 需要施加的载荷有如下六种： ( 1 ) 垂直静载荷 垂直静载荷包括白重、载重和整备重量。货车载重取标记载重，c s o 货车标记载重 为8 0 吨，敞车因设有排水措施，需要考虑雨雪增载对敞车车体结构强度的影响，因此 车辆的设计载重为9 1 4 吨，载重假定为匀布。 模型的加载中，将垂直静载荷分为载重9 1 4 吨和自重分别加载，为模拟车体承载散 粒货物的真实情况，将载重均布于底架的底板的表面上，通过实施加重力加速实现自重 加载。 ( 2 ) 垂向动载荷 垂向动载荷是由于轨面不平、钢轨接缝等线路原因以及由于车辆本身状态不良等因 素，引起轮轨间冲击和车辆簧上振动而产生的。由于因素变化复杂，垂向动载荷很难从 理论上分析得到，通常可由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数而定。该车垂向动载荷系娄 由设计书提供，值为o 2 4 。 ( 3 ) 纵向力及主载荷的最大可能组合 纵向力是指列车在各种运动状态时，车辆间所产生的压缩和拉伸的力。当列车运动 状态发生变化时，车辆牵引缓冲装置上，因相邻车辆间发生速度差，就会导致纵向拉伸 或压缩作用力的产生，经由车辆底架的前( 或后) 从板座作用于车体，使其产生偏心拉 伸( 或压缩变形) 。 第一工况 纵向拉伸力为2 2 5 0 k n ，该力沿车钩中心线作用于车辆两端的前从板座上；压缩力 为2 5 0 0 k n 该力沿车钩中心线作用于车辆两端的后从板座上。 第二工况 纵向压缩力取为2 8 0 0 k n ，沿车钩中心线作用于车辆两端的后从板座上。 ( 4 ) 散装粒状货物的侧压力 1 0 第二章c s o 型货乍下体强度与刚度分析 散装粒状货物的侧压力作用于垂直侧墙和端墙之上，当进行第一工况强度考核时仅 考虑侧墙压力。其单位面积上的压力按式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 计算： 只l o 5 h h ( 1 一k 。) 2 + a g 1 + a gx 9 8 1 0 ( 2 1 ) a o k - ( 1 一七。) 。t g a( 2 2 ) 其中n j 为侧墙单位面积上的压力，单位是p a ；h 是散粒货物容重，运煤敞车给定 值为0 9 8 t m 3 ；何是散粒货物实际装载高度，根据标记载重、车体内长和内宽等确定取 值2 5 m ；凰是端墙上在重载车体重心高度处的垂向加速度与重力加速度的比值，一般 取o 7 ；硒是端墙上在重载车体重心高度处的纵向加速度与重力加速度的比值，一般取 o 4 ：矽为散粒货物的自然坡角度，取值2 5 c 。由上式计算侧墙的压力值：p a j = 4 9 2 9 3 5p a 。 当进行第- t 况强度考核时，其侧墙单位面积上的压力按式( 2 3 ) 计算： 只l = 0 5 x u h 1 + ( t g 2 x 9 8 1 0 ( 2 3 ) 其中n j 、u 、矽、h 同式( 2 1 ) 。根据上式计算侧墙的压力值为：p d z = 1 4 6 2 9