（光学工程专业论文）摆式客车车体钢结构设计研究.pdf

摘要 动力集中内燃摆式列车组是铁道部“十五”重点攻关项目， 是我国首次开发研制的适应于既有线路提速的新型动车组，它的 特点是不需对线路进行改造或稍加改造，就能以高于普通客车 3 0 的速度通过曲线，而不降低旅客乘坐的舒适度和列车运行的 安全性。虽然摆式列车在国外已成功开行了几十年，但对我们国 家来说还是个空白。作为摆式列车关键部件之一的车体钢结构， 也是本课题研究的重点。根据摆式列车的运行特点和铁道机车车 辆限界的要求，对摆式客车车体钢结构的设计，必须突出重点问 题进行研究，力求做到摆式车体钢结构设计结构合理、技术先进、 工艺简单。 车体钢结构作为受力部件，不仅要满足强度、剐度的要求， 而且也要考虑车体动态特性的要求。摆式客车要求尽可能减轻重 量和降低重心，所以钢结构的设计始终贯彻轻量化和低重心的原 则。此外，在结构和材料的选择上，充分考虑了运用环境、车辆 特点、工厂现有工艺及装备水平。 论文详细论述了动力集中摆式客车钢结构的设计思路及结构 特点，并运用i - d e a s 有限元分析软件，进行了车体钢结构的强度、 刚度及模态分析，并多次进行了结构对比分析和改进设计，使车 体钢结构设计达到了预期的效果，为今后摆式车车体钢结构设计 提供了重要指导。 关键词：摆式客车车体钢结构有限元分析设计研究 a b s t r a c t p o w e r - c e n t r a l i z e dd i e s e lt i l t i n gt r a i ns e ti san e w t y p e t r a i ns e td e v e l o p e df o rs u i t i n gs p e e d - r a i s e do nt h ee x i s t i n g 1 i n e sf o rt h ef i r s tt i m ew h i c hi s t h e 1 0 “f i v e y e a r s t r e s s t a c k l ek e yp r o b l e m sp r o j e c t i t sc h a r a c t e r i s t i ci st h a tt h e l i n e sc a no n l yb er e f o r m e d s l i g h t l yo r t h el i n e sn e e dn o tb e r e f o r m e da n di tc a n p a s st h r o u g h c u r v ew i t ht h es p e e d3 0 h i i g h e rt h a n t h en o r m a l p a s s e n g e r c a r sw i t h o u t r e d u c i n g r i d e c o m f o r ta n d r u n n i n gs a f e t y t h e r ei sn ot i l t i n gi r a i ni no u r c o u n t r ya l t h o u g hi th a sb e e no p e r a t e dd e c a d e sa ta b r o a d t h ec a rb o d ys t e e ls t r u c t u r ea st h ek e y p a r to f t h et i l t i n g t r a i ni sa l s oar e s e a r c hs t r e s so ft h et a s k a c c o r d i n gt ot h e r u n n i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h e t i l t i n g t r a i na n dt h e r e q u i r e m e n to fr o l l i n gs t o c kl i m i t ，t h ed e s i g no fc a rb o d y s t e e ls t r u c t u r em u s tb ec a r r i e do u tt or e s e a r c ha sas t r e s s p r o b l e m t h ed e s i g no fs t e e l s t r u c t u r ew i l ls t r i v et ob e r e a s o n a b l e s t r u c t u r e ，a d v a n c e dt e c h n i q u e a n d s i m p l e t e c h n o l o g y t h ec a rb o d va saf o r c e dp a r ti sn o to n l yt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs t r e n g t ha n dr i g i d i t y , b u ta l s ot oc o n s i d e r t h er e q u i r e m e n to fc a rb o d yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c 1 1 1 e t i l t i n gt r a i n i sr e q u i r e dt or e d u c e w e i g h t a n dl o w e rc e n t e ro f g r a v i t y a sl o wa s p o s s i b l e s o t h e p r i n c i p l e o fw e i r g h t l i g h t e n i n ga n dl o wc e n t e ro fg r a v i t yh a sb e e nc a r r i e do u t f r o m b e g i n n i n g t ot h ee n d d u r i n g t h e d e s i g n o fs t e e l s t r u c t u r e i n a d d i f i o n ，o nt h e s e l e c t i o no fs t r u c t u r ea n d m a t e r i a l ，i ti sc o n s i d e r e dt h o r o u g h l yo fo p e r a t i o nc o n d i t i o n s c a rc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ew o r k se x i s t i n gt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n t t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h e d e s i g n i d e aa n ds t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i co ft h e p o w e r - c e n t r a l i z e dt i l t i n g t r a i ns e t a m p l y a n d t h es t r e n g t h ，r i g i d i t ya n dm o d e a n a l y s i so f t h e c a l b o d vs t e e ls t r u c t u r eh a v eb e e nd o n ew i t hi - d e a sf i n i t e e l e m e n ta n a l r s i ss o f t w a r e s t r u c t u r ec o m p a r i s o na n a l y s i s a n dr e f o r m i n gd e s i g nh a v e b e e nc a r r i e do u ts e v e r a lt i m e st o m a k et h ec a rb o d ys t e e ls t r u c t u r er e a c hp r o s p e c t i v er e s u l t s i tp r o v i d e sa ni m p o r t a n ti n s t r u c t i o nf o rt h ed e s i g no f t i l t i n g 廿a i ns t e e ls t r u c t u r ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：t i l t i n gp a s s e n g e rc a r , c a l b o d ys t e e ls t r u c t u r e ， f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，d e s i g n ，r e s e a r c h 2 北京交通大学硕士学位论文 综述 第一章综述 摆式列车的特点和应用n 3 随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，对于乘车出外旅行 的舒适、快捷等方面的要求越来越高，尤其是航空和高速公路的发展， 对铁路更是形成了严峻的挑战，原来以铁老大自居的铁路也面临着客 货运量流失的危机。为了改变这种被动局面，铁路必须进行适应市场 的改造和革新。 铁路要取得主动局面，在客运方面应采取三方面的措施： 1 、提高列车速度，减少旅行时间：2 、增加旅途的舒适性；3 、 降低旅行费用，方便旅客购票乘车。其中减少旅行时间是最有效的， 我国铁路进行的四次大提速，效果非常显著。 提高列车速度最根本的办法是修建高速铁路或彻底改造原有线 路，以适应全面提速，但是在山区和一些等级较低的铁路上改造，投 资大，周期长，不适合中国的国情。因此能对这些既有线路作少量的 改造并采用改进机车车辆装备水平来提高列车的速度，无疑是一种适 合中国国情的好对策。 修建新的高速铁路线或者仅仅改动线路走向都是耗时、耗资的， 并且还会干扰正常的运输。因此，自从6 0 年代末7 0 年代初，为了与 其它运输手段竞争，欧美、日本等发达国家，提出了车辆适应线路的 口号，出现了研究摆式列车的高潮。经过二十年的努力，摆式列车的 技术逐渐成熟并得到广泛应用。作为提速的一种途径，摆式列车只需 对现有线路稍作整治，对基础设施稍作适当的改造，就能以较高的速 北京交通大学硕士学位论文 度通过曲线。因此，相对建设高速线路而言，投资很少。理论计算及 国外的应用的经验表明，在多曲线铁路上采用装有倾摆系统的车辆， 可将旅行时间缩短2 0 。 摆式列车的优点是： 1 ) 对线路平面不必作大的改动。 2 ) 客货混跑的线路，客车的提速不影响货车和一般车辆的正常的 运行。 3 ) 投资少，见效快，花少量的费用和时间即能达到提速的目的。 4 ) 摆式列车能以高于普通客车3 0 的速度通过曲线，因而可提 高平均运行速度而不是峰值速度，因而对山区铁路和多曲线线路的提 速效果更为显著。同时摆式列车不降低过曲线时乘坐的舒适性。 5 ) 曲线通过速度提高了，可减少列车进入曲线前的减速和通过曲 线后的加速，从而减少列车的耗能。 2 国外摆式列车的现状 目前，世界上许多国家正在开行或计划开行摆式列车，日本是世 界上最早将摆式列车投入运营的国家。早在1 9 7 3 年，在1 0 6 7 m m 的窄 轨上就开行了滚轮式被动摆的3 8 1 系摆式列车，目前日本运营的摆式 列车还有主动摆式的2 0 0 0 系内燃动车组，8 0 0 0 系特快电动车以及日 本北海道铁路的2 8 1 系特快内燃动车，现在正对采用液压控制的摆式 列车进行实验研究。 瑞典国铁( s j ) a b b 公司研制的主动摆式列车x 2 0 0 0 于1 9 9 0 年投 入商业运营，设计速度2 l o i ( f f l h ，运行速度为2 0 0 k m h 。自投入商业 运营以来已获得广泛成功。 北京交通大学硕士学位论文 综述 意大利国铁( f s ) 采用由f i a t 公司研制的e t r 4 5 0 型摆式电动车， e t r 4 5 0 为动力分散式电动车组，已于1 9 8 8 年5 月在罗马米兰间 开始商业运营，最高速度为2 5 0 k m h 。采用了铝合金车体，轴重轻 ( 1 2 ，5 t ) ，高速通过曲线时对轨道侧压力小。 德国国铁( d b ) 采用由a m s ( 制造转向架) 与f i a t ( 制造摆式车 体) 两家公司联合制造的被动式v t 6 1 0 内燃动车组。从i 9 9 2 年9 月 起，将2 0 列两辆编组的v t 6 1 0 的摆式内燃动车组投入纽纶堡拜 罗依特线运行，最高速度为1 6 0 k m h ，常规速度为l o o k m h ，蓝线速 度约提高3 0 ，旅行时间约缩短了2 0 。 其它如加拿大国铁( v i a ) 采用的b o m b a r d i e r 公司生产的l r c ( 轻 快稳列车) 主动摆式车体、西班牙国铁( r e n e e ) 采用了t a l g o i ) e n d u l a r 被动摆式车体、瑞士国铁( s b b ) 正在对由s i g 公司生产的被动摆式 车e w i v 进行试验。 以上资料表明：摆式列车在国外有很大的市场，得到了广泛的应 用，并总结出成功的经验和成熟的技术0 1 ，为我国研制摆式列车提供 了良好的借鉴。 3 我国发展摆式客车的必要性 虽然铁道部在一九九七年二0 0 三年间进行了四次大提速，开 行了夕发朝至的列车，但是我国铁路客运平均速度仍然不高，尤其是 在偏远地区，提速客车不能在既有线上实现提速。根据我国铁路发展 规划，我国平原地区旅客列车最高速度应为1 4 0 k m h 1 6 0 k m h ，山区 应为l o o k m h 1 2 0 k m h 。1 ，为实现这一目标，在山区或困难线路上， 采用摆式列车是唯一的途径。 北京交通大学硕士学位论文 由于我国现有铁路线路曲线半径较小，平原的小曲线半径为 3 0 0 m ，一般为6 0 0 8 0 0 m ，山区最小曲线半径为2 5 0 m ，一般为4 0 0 5 0 0 m 。按超高设置为1 2 5 r a m 及1 5 0 m m 时，3 0 0 m 的曲线半径的最大通过 速度7 4 i ( i i l h 和7 8 i ( i n h ，8 0 0 m 曲线半径上，即使维持最大的超高，最 大通过速度也只有1 1 9 k m h 和1 2 8 k m h ，如果平原线改造成线路最小 曲线半径为6 0 0 m ，山区线路最小曲线半径为4 0 0 m ，采用车体倾斜最 大可达1 0 0 的客车时，则通过最小曲线半径的速度分别为1 5 5 k m h 和 1 2 7 l ( i i i h ，( 超高设置取1 2 5 r a m ) ，基本上能满足铁道部规划的客车速度 要求“。自9 8 年8 月广深铁路股份有限公司租赁的瑞典x 2 0 0 0 ( 新 时速) 摆式列车，在广深线上最高运营速度达到2 0 0 k m h ，与准高速 车相比，速度提高了3 0 。此外，成都、沈阳、哈尔滨、济南等铁路 局以及一些地方铁路也准备租赁或购买摆式列车，以实现在既有线上 提速的目的。 二十世纪九十年代，我国开始了摆式列车的研究工作，并在一九 九七年立项研制动力集中内燃摆式列车，主要研制单位有唐山机车车 辆厂、南京浦镇车辆厂、大连机车车辆厂、西南交大等十几个部门， 目前车组已编组正在进行调试，准备进行线路试验。此外，唐山机车 车辆厂为广东三茂铁路股份有限公司开发研制的动力分散内燃液力 传动摆式动车组正在试制当中，预计在今年1 0 月份交付使用。长春 客车厂也正在研制2 0 0 k m h 动力分散铝合金车体的摆式动车组。以上 这些充分说明了摆式列车在我国有非常广阔的应用前景，发展摆式列 车是非常必要的。 4 北京交通大学硕士学位论文 4 摆式车体的基本原理 列车在曲线上运行时，不仅产生离心加速度，车上乘客受到向曲 线外侧的作用力，乘坐舒适性恶化，同时也限制了行车速度。为了减 小离心加速度的影响，在轨道上将曲线外侧的钢轨增高，利用此超高 使车体向曲线内侧倾斜，从而缓解离心力的影响，且不至于使车体倾 覆。但是，一旦超高给定，最大曲线通过速度相应确定。为了兼顾速 度不高的货物列车运行，旅客列车只能低速通过曲线。我国铁路规定 曲线上最大超高不能超过1 5 0 m m 。1 。如果曲线外轨超高过大，列车在 曲线上停车时就有向内侧倾覆的危险。这样，为了抵消高速度引起的 大离心加速度的影响，仅仅利用瞌线外轨超高使车体倾斜就不够了， 还需要使车体本身向曲线内侧倾斜，以弥补外轨超高不足，全部抵消 或部分抵消未平衡的离心加速度。设末平衡的离心加速度为a 0 ，则 。一堡h ( i - - i ) 2 i g i 、。 式中v 运行速度( k i n h ) r 曲线半径( m ) g 重力加速度( m s 2 ) h 曲线外轨超高( m ) s 车轮左右滚动圆间的距离( m ) a o 末平衡的离心加速度( m s 2 ) 当列车以均衡的速度v o 通过曲线时，车体的离心力恰好与重力分 量平衡，则均衡速度可由式l 一1 求得 北京交通大学硕士学位论文 ( m s ) 习惯上速度v 以k m h 为单位，外轨超高h 以m m 为单位，并将 g = 9 8 1 m s 2 ，s = 1 5 0 0 m 1 代入上式有 k = 0 2 9 1 - 以r h 一般情况下，列车在曲线上运行允许有超高不足h 。存在，亦即允 许有一定的未平衡的离心力存在，由式( 1 2 ) 求得允许的通过速度 v 。为 k = 0 2 9 1 扛两可( k m h ) ( 1 - - 3 ) 对于摆式列车，在通过曲线时，车体产生一个向皓线内侧倾斜 的倾角y ，则可允许以更高的速度v ：通过曲线，则由式( 1 3 ) 式得 = o 2 9 1 扛两丽 式中，h 为附加超高，它与车体倾斜角y 之间的关系如下 h w = s t gy 5 国外摆式列车车体结构发展现状 摆式列车在国外许多国家成功投入运营，其中最具代表性的有瑞 。一soj 噌 一 ：o 芷r 【圹 l i i | o 北京交通大学硕士学位论文 典的x 2 0 0 0 和意大利的e t r 4 6 0 摆式列车，最高运行速度均在2 0 0 k m h 以上，甚至达到2 5 0 k m h 以上。x 2 0 0 0 车体结构采用全不锈钢制作， 无中梁薄壁筒形整体承载板粱结构，鼓形断面。底架铁地板、侧墙板 和中顶板均采用不锈钢薄板连续滚压成型的波纹板，提高了车体刚度 和承载能力。车体骨架采用电弧焊连接方式，车体骨架与外皮板连接 多采用电阻点焊，个别部位采用电弧焊。车体下部设置全封闭的承载 式设备舱。在车体端部，还安装了与车体断面轮廓一致的橡塑过渡罩， 使车辆之间过渡更为平滑流畅。 e t r 4 6 0 车体采用具有流线形外形的铝合金车体结构，各个部件分 别由几片通长的大型中空挤压铝型材拼焊而成，焊接采用连续自动 焊，提高了车体的密封性能和气密强度，并大大减少了焊缝的长度和 数量。窗口切割采用机加工方法，提高了加工精度。此种车体结构很 好地实现了车体的轻量化，并具有较高的抗冲击能力，更适合于 2 5 0 i ( i t i h 以上的高速客车，铝合金车体己成为欧洲高速车及轻轨地铁 车辆的主流结构，是颇具发展前景的车体结构。 6 本文的主要研究内容 结合国内外现状，根据摆式客车的特点和要求，确定摆式客车 的外形几何尺寸和断面结构，完成车体钢结构几何尺寸的优选。 合理进行车体材料的选择和匹配，从强度、刚度、轻量化、耐 腐蚀、制造工艺、变形和成本等多方面综合进行考虑。 利用i - d e a s 分析软件对摆式车钢结构进行计算分析，通过强 度计算分析和静强度试验的结果，提出结构改进建议。 北京交通大学硕士学位论文 7 本文要解决的问题 由于摆式客车的研制在我国尚属首次，因此有许多新问题需要 解决。由于摆式客车要求轻量化、低重心的特点，车体钢结构断面必 定要减小，尤其是高度方向尺寸减小，这必将引起车体钢结构刚度和 强度的下降。作为关键技术之一的车体钢结构，如何进行结构、断面 优化和材料的选择，来保证车体钢结构的刚度和强度，是一个首要研 究的问题。 借助于i d e a s 有限元计算分析软件，进行车体钢结构强度分 析和模态分析，并在计算分析的基础上，进行车体钢结构的优化设计 工作。尽可能地降低车体钢结构的重量，并实现车体的低重心设计。 在结构优化设计的过程中，通过对比分析，研究结构变化对车 体钢结构的强度、刚度和振动模态的影响，同时保证车体钢结构的一 阶垂向弯曲振动频率满足有关规定的要求。 北京交通大学硬士学位论文有限元分析的基本理论及应用 第二章有限元分析的基本理论及应用 有限元法最初是在五十年代作为解决固体力学问题的方法出现 的，经过六十多年的发展，有限元法已经成为一门日益成熟的学科。 它除了能模拟固体，还可以计算流体；除了模拟计算静态力学，还可 以模拟计算结构的动态；除此之外，还可以计算热力学、噪声、模态 分析等。随着科学的发展，有限元法已经成为设计者必不可少的辅助 工具。通过对摆式客车的研究，充分体会到有限元分析方法对结构设 计的指导作用。 1 有限元分析的步骤跚4 1 1 1 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，也是有限单元法的基础， 所谓离散化过程，简单地说，就是将分析的结构划分成有限个单元， 并在单元体的指定位置设置“节点”，该相邻单元在它们的公共节点 上连接起来，组成单元的集合体，用以模拟实际的结构。这一集合 体构成有限元计算模型的实体部分一结构的模型部分。 在铁道车辆结构离散过程中，常用的单元有：梁单元、薄壳单 元、实体单元、刚性单元等，计算时选用何种单元，取决于结构的 几何形状、受力特点、以及对计算精度的要求和计算时间等因素。 1 2 选择位移函数 在结构离散化过程完成之后，就可以对典型单元进行特性分析。 此时，为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，必须对 单元内的位移作出假设，也即假设位移是坐标的某种简单函数，这 种函数即为位移函数。 位移函数的适当选择是有限单元分析的关键，在有限单元法应 9 北京交通大学硕士学位论文有限元分析的基本理论及应用 用中，普遍地选择多项式为位移函数，其原因是多i 贞式的运算( 微 分，积分等) 比较方便，并且所有光滑函数的局部，都可以用多项 式来逼近。至于多项式的阶数的选择，则要考虑到单元的自由度和 有关解的收敛性要求。 根据所选定的位移函数，就可以导出用节点位移表示单元内任 一点的位移关系式，其矩阵形式为： 扩) = 【弦r ( a ) 式中：扩 为单元任一点的位移列阵； 【】位移函数矩阵，它的元素是坐标的函数： p r 为单元节点位移列阵。 1 3 分析单元的力学特性 位移函数选定以后就可以进行单元力学特性分析，它包括以下 三部分内容： 利用弹性力学的几何方程，由位移表达式( a ) 导出用节点位移 表示单元应变的关系式： 叠) = 陋】p r ( b ) 式中：耐单元内任一点处的应变矩阵； 陋】应变矩阵，由位移函数的偏导数组成。 利用弹性力学中的物理方程，由应变表达式( b ) 导出用节点位 移表示单元应力的关系式： p ) = 【d p 弦) e ( 。) 式中：廿 单元内任一点的应力列阵； 1 0 北京交通大学硕士学位论文有限元分析的基本理论及应用 d l 一与单元材料有关的弹性矩阵。 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力与节点位移之间的关 系式，即单元的刚度方程： c r r = 陋r ( d ) 式中：忸 单元节点力向量： 网与单元刚度矩阵。 仁】= 陋r d p 伽纰 积分遍及整个单元体积。 1 4 计算等效节点力 按照作用在单元上的力与等效节点力在任何虚位移上的虚功都 相等的原则( 虚功等效) 将作用在单元边界上的表面力，集中力以 及作用在单元上的体积力等效移植到节点上。 1 5 集合所有单元的刚度方程( d ) ，建立整个结构的平衡方程式 这一集合过程包括两方面的内容：一是由各个单元的刚度矩阵 k ，集合成整体刚度矩阵 k ；二是将作用于各单元的等效节点力 集合成总的载荷列阵 r ，于是就得到了整个结构的平衡方程式： 暖= 球) ( 。) 式( e ) 称为有限元的基本方程式，对线弹性问题，这是一线性 代数方程组，其阶数就是结构的总自由度数。 1 6 求解节点位移和计算单元内力( 应力) 求解线性代数方程组( e ) 就可以得到未知的节点位移( 6 ，由 ( b ) 式可以计算出应变列阵 e ) ，再由( c ) 式可以计算各单元的应 力 o ) 。 北京交通大学硕士学位论文有限元分析的基本理论及应用 2 铁道车辆的有限元计算方法 2 1 车体钢结构的几何建模。1 在一般情况下，车体钢结构是横向对称的，故建立1 2 车体几何 模型。( 特殊情况下，建立1 4 车体几何模型) 。 2 1 1 底架的几何建模 由于具有良好的软、硬件环境，底架几何建模时全部取结构的中 面。 2 1 2 侧墙、车顶、端墙的几何建模 在2 5 型客车车体钢结构中，侧墙、车顶、端墙都是由梁骨架和 蒙皮组焊而成，在几何建模中忽略掉蒙皮2 m m 的影响，侧墙板的几何 面和底架边粱立面相平齐；端墙板和缓冲梁立面平齐；车顶板按结构 要求作出相应的圆弧。 2 ，2 车体钢结构的有限元建模 由于i d e a s 的有限元模型可以和几何实体相关，经过车辆的几 何建模，可以方便简捷地对车体钢结构建立有限元模型，有限元建模 包括车体结构的离散和建立边界条件。 2 2 1 有限单元的划分 车体钢结构中，大部分是板件和梁组焊结构，而i - d e a s 软件中 的薄壳单元非常适合处理这种结构。i d e a s 的薄壳元兼顾了“面内 作用”与“弯曲作用”。所谓“面内作用”，指的是它具有抵抗面内变 形的能力，象平面模元那样，且计算所得应力沿厚度t 均匀分布。所 谓“弯曲作用”，指的是它象平面弯曲板那样，可以承受垂直于单元 平面的横向载荷，且计算所得应力类似于梁的弯曲应力分布，中性面 处为零，远离中性面后呈线性分布。 1 2 北京交通大学碗士学位论文有限元分析的基奉理论及应用 i d e a s 有表2 - i 所示的几种单元类型供建立结构的有限元模型，在 车体钢结构中较常用的单元有薄壳单元( s h e l l ) 、梁单元( b e a m ) 。壳 单元有六个自由度，即三个平移自由度( x ，y ，z ) 和三个转动自由度( o x ，oy ，ez ，) 。利用薄壳单元时需要输入的参数有：材料类型、单元 厚度、非结构质量等；利用梁单元一般确定梁的材料、截面形式、粱的 定位等参数。由表一可知，只要结构的长宽尺寸是厚度尺寸的l o 倍以 表2 - l 有限单元的类型 酬酊 剐k m 蝉h p h 坤棚“酗 弹k i h m r 目i b 棚。 岛姗_ m t b i t “ 3 d 啪i 谴 念 30d 柚i 赳 目咖i 船t d 出o h t 川_ r 岫 棚d 目培k 一 一 20n “脚 量叫雕蛆，d 啦n k n 啷 n c 蚰d l i b 鞋珊叫m 助电幽畦 n t = 口日 2 d 删 八八 33n 日t 砌曲i n 耐n k n 咄f i 啦l i d t k 酬螗c b 埘嘲胄嘛 n o n 躐n w t 吲n i 如s b 嘲进i 毽扭抽华傀咖 厂1口 向明m h 童i 疆叩b o n _ m t l ， 20自簟i a l 生刊嘎嘲w o 扫i 耷 n d 【 脚蛐k h 妇k 抽秘 钮 厂1厂1 驴n 旺 37 21n 舡t i 缸出i n 鲥n h 躯l i 幡出越a 地 睡妇i bn i d t m 勾i 田呻r i c 眦a 妇 l d 删 ? 甜&3oa w t 划 a 舡鲥d 利知n 鼬“o n 删 m h m k 叫“l 掰 蟛db o d ym o t i m n f c m 皑0 州脚i s p 邮。龟期i 螺 i d 轴m33n “n 血 掣口叫：_ p eh ?i n n 吼“gt 叫q 咖ha d 奠i f i b i a q 硎粥f h 划i 越n x 电黼 0 h 0 n 目嘣o 目i 哦 d d n i m l _ 剀抽e n 目嘣m 盔岫 北京交通大学硕士学位论文有限元分析的基本理论及应用 上就可以用薄壳单元来模拟结构，粱单元一般用于空间骨架以及板壳的 支承骨架，故在车体钢结构有限元建模时底架均可离散成薄壳单元，车 体上的蒙皮也均离散成薄壳单元，其余梁骨架均离散成梁单元。 结构离散成何种类型的单元，有时还要根据分析的需要来定， i - d e a s 对薄壳单元的后处理功能非常强大，它除了能显示不同位置的 计算结果，还可以显示单元的上表面( t o p ) 、中面( m i d d l e ) 、底面 ( b o t t o m ) 的计算结果；而卜d e a s 处理梁单元的能力稍差些，主要 能显示梁截面上的计算结果分布。 2 2 2边界条件的建立 边界条件包括约束条件和外载荷条件，约束条件是指在支承处施 加支承约束( x ，y ，z ) ，用以防止车体钢结构的刚性位移。如果利用了 对称条件，在对称面上施加对称约束或反对称约束。 关于载荷的施加，首先要了解车体钢结构的计算工况，计算工况 共分为四种：工况一，垂直静载( 自重+ 载重) ，用于计算结构的相 当弯曲刚度；工况二，垂直总载荷+ 拉伸力( 1 0 0 t ) ，用于强度校核； 工况三，垂直总载荷+ 压缩力( 1 2 0 t ) ，垂直总载荷等于垂直静载加 垂直动载荷，垂直动载荷等于垂直静载乘以动荷系数，用于强度校核； 工况四，扭转载荷( 4 t m ) ，用于计算扭转刚度。 最后，生成边界条件集，在边界条件集中，至少应包括约束和工 况选项。 2 3 对模型的求解 求解要建立求解集，求解集中应包括应力、位移、支反力、单元 力等选项，支反力的输出能在1 i s 文件中体现，用于检验所加外载 荷的正确与否，单元力的输出是为了能显示梁截面上的应力等计算结 果。求解集建成后，可以利用i d e a s 求解器进行求解。 1 4 北京交通大学磺士学位论文有限元分析的基本理论盈应用 2 4 计算数据的后处理 后处理的任务是采用多种不同的工具来显示有限元计算分析结 果。结果保存再结果集里。有限元结果数据可以来自一个分析或如网 格检查结果等，也可以来自存在结果的迭加产生的新的结果集。随着 计算程序的不断完善，计算数据的后处理的功能越来越强大，不同的 计算软件基本上都具有如下功能： 以云图的形式显示计算数据，该显示方式包括以平均方式、单 元方式两种形式。应力云图、位移云图，再利用探针技术，显示出所 关心部位的计算数据。这种处理方法非常适合于薄壳单元和体单元。 另外还可以显示大于某一数值；小于某一数值；两数值之间的计算数 据，这样，设计者可以方便地了解结构的受力情况。 结果的等直线显示，等直线显示图象将显示模型( 或预选的单 元) 。在模型图上覆盖代表相同取值或代表离散值范围的颜色线或颜 色带，不同的值代表不同的取值水平，不同的取值水平则用不同的颜 色表示，这种处理方法可以使设计者了解结构中计算数据相等的部 位。 结果的箭头显示，采用箭头显示方式可以显示模型矢量数据方 向和流动方向，它可以在单元节点上、单元面或单元形心上显示箭头， 箭头表明节点或单元面上数据的方向。这种处理方式可以使设计者方 便地了解结构情况。 结果的动态显示，动画将给出动态的视图，用户可以对单一结 果或者是多结果集进行动画显示，当执行动画显示时，可以通过调整 每帧动画的速度来进行动画模拟显示。这种显示方式对于结构的变 形、振型显示非常直观，使设计人员可以清楚地了解结构的动态变化。 生成结果报告，设计者可以对计算结果生成一个报告来得到一 北京交通大学硕士学位论文有限元分析的基本理论及应用 个结果数据的拷贝，一个报告可以显示在屏幕上，也可以写到一个文 件中。 3 计算结果的评定哺1 通过计算得出结构的应力、位移等，对铁道车辆一般有强度和刚 度的要求。 3 1 强度要求 按照t b t 1 3 3 5 一1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范( 以 下简称为规范) 的规定，零部件基体金属的计算应力均不得大于表2 - 2 所规定的数值。 表2 2 金属零部件许用应力 单位：m p a 车体零部件 材料及其牌号第一工第二工况 况 q 2 3 5 一a gs = 2 3 5 1 6 l2 1 2 普通碳素钢 q 2 7 5 一a 0s = 2 7 5 1 8 82 4 8 耐候钢0 9 c u p c r n i os = 2 9 4 1 8 42 5 0 不锈钢 l c r l 7 m n 6 n i 5 n 0s = 2 7 5 1 8 82 4 8 低合金钢 1 6 m n os = 3 4 5 2 1 62 9 3 3 2 刚度要求 整体承载的客车车体，在垂直载荷工况计算时，求出侧梁中央挠 度，带入式2 1 ，即可求出相当弯曲刚度： 彤= 黑3 8 4 ( 5 口- 2 4 印) 2 1，、 7 一一l 式中：e 卜一相当弯曲刚度，n m 2 ； 卜单位长度载荷，n m ； l 1 底架外伸部分长度， 北京交通大学硕士学位论文有限元分析的基本理论及应用 l 2 车辆定距，m ： f _ 侧梁中央挠度，m 求出的相当弯曲刚度e j 不应低于1 8 x 1 0 9 n 甜。 在扭转载荷作用下，计算出加载后四个支撑点相对于基础垂向距 离的变化值，61 ，62 ，63 ，64 ，将相关数据代入式2 2 ，求出相 对扭转角： ：! 垒二蔓! 二垒二垒2 d 2 2 2 式中：1 l r 相对扭转角，r a d ： 6i 加载后i 点的垂向距离变化值，硼； b 2 一、二或三、四位两侧点之间的距离，m m 。 把相对扭转角带入下式计算出相当扭转刚度： 。：上( 刍2 3 式中：g j 厂相当扭转刚度，n m 2 r a d ： 地扭转载荷，k n m ； 1 l r 相对扭转角，r a d ： l 相对扭转截面之间的距离，m 求出的相当扭转刚度g j p 不应低于5 5 x 1 0 8 n m 2 r a d 3 3 模态分析。1 转向架悬挂系统的设计，要求对l o h z 以上的频率具有显著的隔 振效果，所以对高速铁道车辆来说，车体动态设计的准则为一阶垂直 弯曲振动的固有频率应不低于l o h z 。车体在整备状态下的一阶垂直弯 曲振动固有频率比车体钢结构的要低。经研究表明，车体钢结构的一 阶垂直弯曲振动固有频率比整备状态下垂直弯曲振动固有频率高约 1 7 北京交通大学硕士学位论文有限元分析的基本理论厦应用 3 0 ，故车体钢结构本身的一阶垂直弯曲自振频率不应低于1 4 h z 。 4算例 随着铁道车辆的不断提速，对车辆的安全性要求越来越高，这就 需要对车辆的力学特性有一个比较全面了解，随着计算机技术发展和 有限元算法的完善，对车辆进行详细的有限元计算就成为可能，在车 辆设计过程中，有限元计算出的结果有很大的参考性，对改进车辆结 构设计起到了积极的指导作用。表2 - - 3 ，表2 4 是硬卧车的有限元 计算结果和试验结果的对比。通过两表可以看出有限元的计算结果 和试验结果相当接近，达到了预期的结果。 表2 3 结构强度比较 单位：m p a 序号名称试验结果计算结果 1牵引粱1 2 91 5 8 2内纵向梁1 6 71 8 4 3枕梁1 6 91 5 2 4侧梁一1 1 51 3 3 5波纹地板1 8 21 8 7 6 门角 1 8 71 8 2 7窗角1 3 11 3 6 8 侧柱 8 58 7 表2 4 结构刚度比较 序号名称试验结果计算结果 1 相当弯曲刚度( n m 2 ) 3 2 9 x i 0 1 53 1 4 x 1 0 1 5 2 相当扭转刚度( n m 2 r a d ) 9 8 2 x i 0 88 6 0 x 1 0 8 北京交通大学硕士学位论文 摆式客车车体钢结构设计的思路 第三章摆式客车车体钢结构设计的思路 1 引言 摆式客车不同于普通客车，有其自身的独特要求。车体钢结构设 计时必须围绕摆式客车的要求展开工作，抓住重点问题进行研究。根 据我国的国情和客车制造工艺水平，应首先以碳钢车体为主，在继承 传统车体钢结构优点的同时，力求在结构上大胆创新，在满足安全性 的前提下，实现摆式客车车体钢结构轻量化、低重心的要求，同时充 分考虑施工的工艺性和使用维护方便，使车体钢结构设计水平实现一 次大的飞跃。 2 我国2 5 型客车车体钢结构现状 我国2 5 型客车生产已有十二年的历史，车体钢结构虽然取消 了中梁，但各部位结构仍沿用传统结构，自身重量仍然很大，一般在 1 4 1 6 吨以上。从静强度试验和有限元分析的结果来看，车体钢结构 的强度、刚度储备较大，且各部位受力大小很不均匀，未能充分发挥 材料的承载能力，。 2 5 型客车车体钢结构断面大、重心高，外形设计不适合空气 动力作用，列车运行时车体空气阻力大。 车体钢结构采用的材料仍以普通碳素钢、耐侯钢为主，防腐 能力不是很理想。 3 内燃摆式列车组摆式客车简介 3 1 平面布置( 二等车) 摆式客车二等车所有小间全部集中于车体一位端布置，设有电源 北京交通大学硕士学位论文 摆式客车车体钢结构设计的思路 控制柜、空调控制柜、倾摆控制柜、电开水炉、洁具箱、垃圾筒、储 藏室、蹲式卫生间和乘务员室。车体中部为客室，设有双人单向可调 角度座椅、板式行李架、茶桌、衣帽钩等；客室中部设有一道玻璃隔 墙，将客室分隔为两个分区。车顶一位端安装分体式空调机组，车体 两端装有密封式折棚风挡和密接式车钩缓冲装置。车体四角门为电控 风动塞拉门，内外端门均为手动双开拉门。设车下水箱和集便装置，、 车体下部设有全封闭的设备舱，动力集中内燃摆式列车组摆式客车平 面布置见图3 一l 。 图3 - 1内燃摆式列车组二等客车平面图 3 2 主要技术参数 最高运营速度： 最高试验速度： 定员： 车体长度： 车体宽度： 车辆高度( 空车时) ： 车辆定距： 固定轴距： 支重方式： 运行平稳性指标： 2 0 1 6 0 k m h 1 8 0 k m h 7 9 人 2 5 5 0 0 珊 3 0 8 0 1 1 1 i n 约3 8 4 0 m m 1 8 0 0 0 r m 2 6 0 0 m m 空气弹簧支承车体 w 2 5 北京交通大学硕士学位论文摆式客车车体铜结构设计的思路 车钩中心线距轨面高度( 空车时) 倾摆机构转心高度： 最大倾摆角度： 最大有效倾摆角度： 设计寿命： 8 8 0 r a m 1 6 1 0 m m 8 o 6 5 o 2 5 年 4 摆式客车钢结构设计的总体思路 4 1 基本思想 进行摆式客车钢结构的方案设计，要充分考虑到摆式客车的技术 特点，抓住关键问题，并结合当前国情和工艺制造水平。既要吸收和 采纳传统钢结构的优点，也要力求结构创新，并以此为契机，推动钢 结构设计和制造水平的提高。 4 2 摆式客车车体钢结构重点要考虑的问题 4 2 1 车体钢结构轻量化 4 2 1 1 车体轻量化的意义和必要性 由于摆式客车可以高于普通车3 0 的运行速度通过曲线，速度提 高了，为了尽量减小轮轨作用力，减小振动和降低噪声，从而提高乘 坐的舒适性和车辆的寿命，车体必须尽可能轻量化。 另一方面，车体的轻量化可以减小列车运行时的牵引力，提高列 车的起动加速度和制动减速度，减小制动力和缩短制动距离，对节约 能源也有一定的效果。 再者，车体的轻量化还可以减小倾摆动力，并减少对线路的破坏。 一般车体钢结构的重量占车体总重的3 0 4 0 以上，实现车体的轻量 化要求，所以钢结构的轻量化设计应作为研究的重点。 4 2 1 2 车体钢结构轻量化的原则 2 1 北京交通大学硕士学位论文摆式客车车体钢结构设计的思路 车体钢结构的轻量化必须以安全性为前提，由于对摆式客车的 强度设计和试验鉴定规范还没有专门的要求，根据此次摆式客车的特 点，我们暂以规范作为评定标准，即要保证车体钢结构的强度、 刚度指标符合规范的要求。 车体钢结构轻量化设计的同时要重视车体防腐问题，并考虑将 来客车的实际运用环境，满足1 5 年内钢结构不发生挖补截换的要求。 车体钢结构轻量化过程中比应力值更值得重视的往往是刚度。 强度不足比较容易补强，而刚度不足尤其是整体刚度不足则很难补 强。刚度的下降会造成结构抗失稳能力下降和焊接变形的增加，同时 也会使车体钢结构的自振频率降低。 车体钢结构的轻量化，一般伴随材料变化、板厚减薄等问题， 所以同时还要考虑施工工艺性好坏、成本高低等因素。 4 2 1 3 车体钢结构轻量化的主要措施 对车体钢结构断面进行优化设计，缩小断面尺寸，可以有效 地降低车体钢结构自身重量，同时断面缩小也大大降低车体钢结构以 外的重量。 适当减小各种梁、柱断面的尺寸、板厚和外皮板厚度，是车体 钢结构轻量化的有效途径。 大胆改迸设计结构，对不合理结构进行优化设计。如尽可能采 用钢板压型件代替型钢，合理布置梁、柱、筋板的位置和数量。例如 将底架横梁、侧柱和弯梁设计成封闭环状结构，加强车体骨架间的连 接，充分发挥梁柱的承载能力。此外，大量采用冷弯型钢，采用波纹 板代替平板结构，不仅减重效果好，而且承载能力也大大增强。 较大的断面结构加工减重孔，对于承受弯曲的构件来说，对弯 曲刚度影响不大。 北京交通大学硕士学位论文摆式客车车体钢结构设计的思路 适当选用不锈钢、铝合金等轻量化效果较好的金属材料，在不 影响强度、刚度和满足施工工艺的前