（光学工程专业论文）高速列车车体断面优化设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 车体设计是高速列车研究的一个重要组成部分。高速列车车体在运行过程中，不但 要把牵引力和制动力传递给车钩，还要承受各种设备载荷以及纵向和横向冲击载荷的作 用。因此，车体必须具有足够的强度和刚度，满足相关技术标准的要求，保证列车运行 的安全性和平稳性。 本文运用h y p e r m e s h 软件建立了国内某型高速列车铝合金车体有限元模型；然后对 其进行静强度计算，分析总结了结构强度和刚度的计算结果，并进行模态计算和分析； 最后以该车体底架为研究对象，对其进行了拓扑优化、尺寸优化，探讨了车体底架最佳 断面形状，并对优化结果进行验证。具体内容如下： 1 有限元模型的建立 由于车体结构复杂，首先对车体结构进行适当的简化，并在软件h y p e r m e s h 中建立 车体有限元模型。 2 车体静强度、模态分析 依据欧洲标准e n l 2 6 6 3 ：2 0 1 0 铁路应用一铁路车辆，车体结构要求，对车体结 构进行了4 种工况的静强度计算和模态分析，总结了车体的应力分布情况，同时根据 t b 厂r1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范，对车体的刚度进行了评定，为车 体底架的优化提供约束条件。 3 车体底架结构优化 采用优化软件o p t i s t m e t 对车体底架进行优化。首先对车体底架进行了基于概念设 计的拓扑优化，根据设计要求和优化目标得到具有最佳断面形状的车体底架结构；在此 基础上对底架结构进行更为细致的尺寸优化，根据优化目标函数得到各截面的最优尺寸； 最后对优化后的车体进行静强度分析，并对优化前后的静强度计算结果进行了比较分析。 关键词：车体；拓扑优化；尺寸优化；h y p e r m e s h ；o p t i s t r u c t 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 h ec a rb o d yd e s i g ni sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n tf o rt h es t u d yo f h i g h s p e e dt r a i n i nt h e o p e r a t i o np r o c e s so fh i g h - s p e e dt r a i n s ，t h ec a l b e d yn o to n l yt r a n s f e r st h et r a c t i o na n db r a k i n g f o r c et ot h ec o u p l e , b u ta l s ob e a r sa l ls o r t so fe q u i p m e n tl o a d , l o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s e i m p a c tl o a d t h e r e f o r e ，t h ec a rb o d ym u s th a v ee n o u g hs t r e n g t ha n dr i g i d i t y , s a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fr e l e v a n tt e c h n i c a ls t a n d a r d sa n de n s u r et h es a f e t ya n ds t e a d i n e s so ft h e o p e r a t i o no f t r a i n s i nt h i sp a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa h i 曲- s p e e dt r a i na h m m u ma l l o yc a rb o d yi s e s t a b l i s h e du s i n gt h eh y p e r m e s hs o r w a r e i t ss m i l es t r e n g t hi sc a l c u l a t e d ，t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t so ft h es t r u c t u r es t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa r ea n a l y z e d , a n dm o d a la n a l y s i si sc a r r i e do u t ； t a k i n gt h e c a rb e d yc h a s s i sa st h er e s e a r c ho b j e c t , t h et o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o na n ds i z e o p t i m i z a t i o na r c c a r r i e do u t t h eo p t i m u ms e c t i o nc o n f i g u r a t i o no fc a rb o d yc h a s s i si s d i s c u s s e d ，a n dt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r ev a l i d a t e d t h em a i nc o n t e n t sa r e 雒f o l l o w s ， 1 s e tu po ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l d u et oc o m p l e x i t yo ft h ec a rb o d ys t r u c t u r e ，i ti ss i m p l i f i e dp r o p e r l ya n df i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h ec a rb o d yi sb u i l ti nh y p e r m e s hs o f t w a r e 2 s t a t i cs t r e n g t ha n dm o d a la n a l y s i so fc a rb o d y 。a c c o r d i n gt o t h ee u r o p e a nc o m m i t t e ef o rs t a n d a r d i z a t i o n , r m l w a ya p p l i c a t i o n s s t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t so f r a i l w a yv e h i c l eb o d i e s ，t h ee a rb e d ys 仃i m g 也a n dm o d ea r ea n a l y z e d u n d e rt h ef o u rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ec a rb o d yi s s u m m a r i z e d s i m u l t a n e o u s l y , t h es t i f f n e s so fc a rb o d yi se v a l u a t e da c c o r d i n gt o r a i l w a y r o i l i n gs t o c kd e s i g na n dt e s tt oi d e n t i f ys t r e n g t hn o r m s ( t b t13 3 5 - 19 9 6 ) ，w h i c hp r o v i d e c o n s t r a i n t sc o n d i t i o nf o r t h eo p t i m i z a t i o no fc a rb o d yc h a s s i s 3 s t r u c t u r eo p t i m m a t i o no f t h ee a rb o d yc h a s s i s t h ec a rb o d yc h a s s i si so p t i m i z e du s i n gt h eo p t i s t r u e to p t i m i z a t i o ns o f t w a r e f i r s to f a l l ， t h et o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o no fc a rb e d yc h a s s i si sc a r r i e do u tb a s e do nt h ec o n c e p t u a ld e s i g n t h eo a rb o d yc h a s s i sw i t ho p t i m u mc r o s s s e c t i o nc o n f i g u r a t i o ni sg o ta c c o r d i n gt ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa n do p t i m i z a t i o ng o a l o nt h eb a s i s ，t h em o r ed e t a i l e ds i z eo p t i m i z a t i o ni sc a r r i e d o u t , o p t i m a ls i z e so ft h ec r o s ss e c t i o n sa r eo b t a i n e db a s e do nt h eo p t i m a lo b j e c t i v ef u n c t i o n a f t e rt h eo p t i m i z a t i o n , t h es t a t i cs t r e n g t ho ft h ec a rb o d yi sa n a l y z e da g a i na n dt h ec a l c u l a t i o n r e s u l t so fs m t i cs t r e n g t ha n a l y s i sb e f o r ea n da f t e rt h eo p t i m i z a t i o na l ec o m p a r e d k e y w o r d ：c a rb o d y ；, s t a t i cs t r e n g t h ；t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n ；s i z eo p t i m i z a t i o n ；h y p e r m e s h ； o p t i s t r u c t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 世界高速铁路的发展 2 0 世纪7 0 年代世界范围内发生了严重的石油危机，石油短缺的阴影笼罩全球。为 了保持经济可持续发展，各国反思之余，要求彻底改革传统的交通能源结构模式，而铁 路是唯一能采用非石油能源的交通模式。 自1 9 6 4 年日本建成世界上第一条高速铁路一东京至大阪高铁4 0 多年来，高速铁 路从无到有，迅速发展。截至目前，全球投入运营的高速铁路近2 5 万公里，分布在中 国、日本、法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典、英国、韩国、中国台 湾等1 7 个国家和地区。高速铁路作为一种安全可靠、快捷舒适、运载量大、低碳环保的 运输方式，已经成为世界交通业发展的重要趋势。 世界高速铁路的发展历程可以划分为三个阶段，形成了三次建设高潮。 第一次是在上世纪6 0 年代至8 0 年代末，是世界高速铁路发展的初始阶段，主要 由发达国家日本、法国、意大利和德国推动了这一次建设高潮。在这期间建设并投入 运营的高速铁路有：日本的东海道、山阳、东北和上越新干线；法国的东南t g v 线、 大西洋t g v 线；意大利的罗马至佛罗伦萨线以及德国的汉诺威至维尔茨堡高速新线， 高速铁路总里程达3 1 9 8 公里。这期间，日本建成了遍布全国的新干线网的主体结构， 在技术、商业、财政以及政治上都取得了巨大的成功。 第二次是在上世纪8 0 年代末至9 0 年代中期。由于日本等国高速铁路建设取得了巨 大成就，世界各国对高速铁路投入了极大的关注并付诸实践。欧洲的法国、德国、意大 利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典和英国等最为突出，1 9 9 1 年瑞典开通了x 2 0 0 0 摆式列 车；1 9 9 2 年西班牙引进法、德两国的技术建成了4 7 1 公里长的马德里至塞维利亚高速铁 路；1 9 9 4 年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际连接 线；1 9 9 7 年，从巴黎开出的“欧洲之星”列车又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一 起。在这期间，日本、法国、德国以及意大利对发展和完善高速铁路网也进行了周密和 详尽的规划，对原有高速铁路网进行了大规模扩建。 第三次是上世纪9 0 年代中期至今，这次建设高潮涉及到亚洲、北美、大洋洲以及 整个欧洲，形成了世界交通运输业的一场革命性的转型升级。俄罗斯、韩国、中国台湾、 澳大利亚、英国、荷兰等国家和地区都先后开始了高速铁路的建设。为了配合欧洲高速 铁路网的建设，东部和中部欧洲的捷克、匈牙利、波兰、奥地利、希腊以及罗马尼亚等 国家正在进行干线铁路改造，全面提速。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 归纳起来，世界上建设高速铁路有以下几种模式： 第一，日本的新干线模式。该模式全部修建新线，旅客列车专用。1 9 6 4 年l o 月1 日，东海道新干线正式运营，运行速度达到2 1 0 公里川、时，日均运送旅客3 6 万人次， 年运输量达1 2 亿次。这条专门用于客运的电气化、标准轨距的双线铁路，代表了当时 世界第一流的高速铁路技术水平。1 9 7 5 年至1 9 8 5 年间又依次开通了山阳新干线、东北 新干线、上越新干线。1 9 9 7 年北陆新干线通车，形成了日本完善的国内高速铁路网骨架。 第二，法国的t g v 模式。该模式部分修建新线，部分改造旧线，旅客列车专用。 1 9 7 1 年，法国政府批准修建t g v 东南线( 巴黎至里昂) ，1 9 8 3 年9 月全线建成通车。 1 9 8 9 年和1 9 9 0 年，法国又建成大西洋线。1 9 9 3 年，法国第三条高速铁路t g v 北欧线 开通运营，以巴黎为起点穿过英吉利海峡隧道通往伦敦，并与欧洲北部国家相连，是一 条重要的国际通道。1 9 9 9 年，地中海线建成。法国t g v 列车可以延伸到既有线上运行， 所以通行范围覆盖大半个法国国土。 第三，德国的i c e 模式。该模式全部修建新线，旅客列车及货物列车混用。德国高 速铁路i c e 于1 9 8 5 年首次试车；1 9 9 1 年曼海姆至斯图加特线建成通车；1 9 9 2 年汉诺威 至维尔茨堡线建成通车；1 9 9 2 年德国购买了6 0 列i c e 列车，其中4 1 列运行于第6 号高 速铁路，分别连接汉堡、法兰克福、斯图加特。目前，德国的泛欧高速铁路和第三期高 速铁路陆续建成，实现了高速铁路国际直通运输。 1 1 2 我国高速铁路的发展状况 在中国，铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化交通工具，在综 合交通运输体系中处于骨干地位。 新中国成立以来，尤其是改革开放以来，中国铁路取得了长足进步，为经济建设做 出了重要贡献。但与其他行业相比，铁路发展相对滞后，运输能力严重不足，“一票难求、 一车难求”的现象十分突出，铁路成为制约经济社会发展的“瓶颈”。2 0 0 3 年，我国政府 从落实科学发展观、实现国民经济又好又快发展的战略全局出发，做出了加快发展铁路 的重要决策，中国铁路进入加快推进现代化的历史阶段。 2 0 0 5 年6 月1 1 日，石家庄至太原铁路高速铁路开工，设计时速2 5 0 公里，这是中 长期铁路网规划中第一条开工建设的高速铁路。 2 0 0 5 年6 月2 3 日，设计时速3 5 0 公里的武汉至广州高速铁路开工建设，这是中国 第一条长大干线的高速铁路。 2 0 0 5 年7 月4 日，北京至天津城际铁路开工，这是中国第一条高速城际铁路。 2 0 0 6 年11 月1 0 日一1 6 日，中国铁路第六次大提速进行综合牵引试验。试验数据 表明：中国铁路已经掌握既有线提速到时速2 0 ( 0 - - 2 5 0 公里的整套技术，既有线提速技 术达到了世界先进水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 0 0 7 年4 月1 8 日，第六次大提速正式实施，在京哈、京沪、京广、陇海、沪昆、 胶济、广深等既有繁忙干线大量开行具有自主知识产权的时速2 0 0 公里至2 5 0 公里“和谐 号”高速动车组列车。这标志着中国铁路一举进入高速时代。 从2 0 0 8 年开始，一大批新建的高速铁路陆续投入运营： 北京至天津城际高速铁路。京津城际高速铁路是中国第一条具有自主知识产权 和世界一流水平的高速铁路，起点站为北京南站，终到站为天津站，全长1 2 0 公里。2 0 0 8 年8 月l 目通车运营，运营时速达3 5 0 公里，列车直达运行时间3 0 分钟，列车最小追踪 间隔为3 分钟。 武汉至广州高速铁路。 郑州至西安高速铁路。 上海至南京城际高速铁路。 上海至杭州高速铁路。 合肥至南京高速铁路。 成都至都江堰高速铁路。 1 2 高速列车车体轻量化的研究意义 在高速铁路技术中，高速列车占有十分重要的地位，高速列车必须实现高速、安全、 可靠、经济等技术指标，其车体承载结构轻量化的研究也就成为其中不可缺少的一部分。 随着列车运行速度的提高，车体结构所承受的载荷变得更加复杂和严厉：首先，高 速列车进入隧道时车体周围压力波动会显著增加，所以需要增强车体结构的刚度：第二， 为了高速化、现代化，在车体上需要增加安装控制、显示等设备，其车体承载量增加； 第三，速度的提高将使轮轨之间的振动加剧，其车体所承受的动载荷增加：第四，单位 重量需要的功率将随速度的增加呈非线性增加。从前三项来看需要增加车体的强度和刚 度，而后一项来看需要减轻车辆自重。 铁路高速化的发展使车辆轻量化工作势在必行，而轻量化是国内外高速列车的一个 共同特点。减轻车体、车内设备以及走形部分的重量，不仅可以减少原材料的消耗，有 利于降低牵引功率，提高列车运行速度，改善列车肩动和制动性能，而且可有效减小轮 轨问的动力作用，减小振动和噪声，增加高速列车和线路的使用寿命，同时车辆轻量化 也有助于降低轨道的建设费用和维修费用，提高以地基振动为主的环保性能，还能节省 运行能量，速度愈高其效果愈大。在考虑减轻车体自重的时候首先要考虑在确保车体强 度、刚度的前提下，尽量实现车体承载结构的轻量化。 高速列车车体的轻量化是摆在车体结构设计人员和科研工作者面前的一项迫切的 任务。在保证运行安全和具有必要的使用寿命的前提下，最大限度地减轻自重是一个需 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 要认真研究的问题。在设计新型车辆的同时，随着列车运行速度的提高以及其他运行条 件的改变，还必须对现有车辆的强度和运行可靠性进行鉴定，以便确定车辆对新的运行 条件的适应程度，并拟定加强或改造原有结构的必要措施。为了顺利地解决上述车辆强 度问题，除了采用先进的试验方法对车辆承载零部件进行强度鉴定外，还要采用先进的 计算方法对车辆强度进行理论分析也是非常必要的。 1 3 结构优化技术在铁道车辆中的应用 优化设计这一现代设计方法是六十年代随着电子计算机的广泛使用而迅速发展起 来的一门新兴学科。优化设计能为工程及产品设计提供重要的科学设计方法，尤其在解 决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻得较为完善的方案，从而大大提高设计质 量和设计效果。车辆设计中采用结构优化方法，是为了在保证强度和刚度的前提下力争 获取最轻的自重。结构优化理论的发展已不再是单纯要求设计师凭经验去创造设计方案， 而是在初定结构基础上运用优化理论去寻求目标函数的最优值，例如质量、体积等等， 从而获得最佳结构设计。 在我国，随着结构优化设计理论的发展，大批学者对车辆的优化设计进行了一系列 的应用研究。从国内发表的文献看，主要集中在车体结构的方案对比、截面尺寸优化、 动力学性能( 减震器、悬挂参数) 优化、转向架构架尺寸优化等方面。1 9 9 0 年吴昌华、 顾元宪【l 】对五千马力内燃机车车体结构进行了优化设计，将车体结构简化为梁模型，在 满足强度、刚度情况下，优化梁截面尺寸和立柱位置，使其重量最轻。乔务本【2 】等对我 国首列准高速客车s f k 8 9 车体钢结构进行了优化设计研究，对车体整体承载能力和车体 轻量化有重要影响的梁柱截面的形状和大小为设计变量，以位移和应力为约束，以结构 重量最小为目标，优化后结构重量减轻2 2 。肖守讷【”】等对高速动力车车体结构进行 优化设计，实现了动力车车体的减重。刘齐茂和李春林【5 】在2 0 0 4 年采用均匀化方法，以 车架的总柔度为目标函数，以体积作为约束条件，对在弯曲和弯扭联合两种工况下的某 型载货车车架结构进行了拓扑优化设计技术，为该型载货车车架提供了结构的概念设计 方法。2 0 0 6 年汪列隆1 6 】等采用遗传算法对地铁车项进行了结构动力学拓扑优化，优化结 果表明该方法可以提高地铁车项的动态特性，为整车新结构提供理论设计基础。同济大 学的高云凯、孟德建等【7 】于2 0 0 6 年把拓扑设计理论引入某电动改装车的承载式车身设 计，利用先进的有限元分析软件，在电动改装轿车车身结构拓扑优化分析中实现了多工 况、多状态变量条件下的拓扑设计，确定了车身的最佳结构方案，进而在此基础上建立 了新的有限元模型，并进行了模态、刚度和强度分析，设计出最终的车身改造结构。李 红霞瞪j 等对高速列车车体断面做了数值分析，主要考虑列车的车体断面形状对列车横向 气动稳定性的影响，通过求解n a v i e r - s t o k e s 方程，应用数值分析的方法对不同横截面形 状的高速列车车体的横向气动稳定性进行了分析，确定车体的断面参数对列车横向稳定 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 性的影响。胡哲龙【9 】对车体气密性与车内外压力变化关系及旅客舒适性评价进行了研究， 其制作了一批不同气密性、不同刚度的车体模型，通过模型试验与数值模拟计算相结合 的方法得到结论。西南交通大学的缪炳荣博士等【1 0 】基于多体动力学和有限元法的车体结 构疲劳寿命仿真，提出一种多体动力学仿真和有限元相互结合进行结构疲劳寿命预测的 方法，对随机动载荷作用下机车车体结构的寿命预测进行了较为系统的研究，并以机车 车体结构为例进行了疲劳寿命计算。陈喜红，辛成瑶】对高速动力车钢结构车体进行了 动、静强度计算，运用i - d e a s 软件包中的分析模块和优化模块对该车体进行结构优化设 计，以板厚为设计变量，车体丰要承载结构的重量为目标函数，得到了最轻量化的车体 承载结构，使其成为我国目前机车行业中每单位长度自重最轻的车体。大连交通大学的 石莹【1 刁提出基于遗传算法对车体钢结构进行组合优化的思想，实现了对梁截面变量和拓 扑变量两种不同类型变量的同时变化，达到了对车体轻量化设计的目的，这在当今结构 优化中是很少见的。东南大学的姜燕清【l3 】对地铁列车动车车体进行了建模与优化分析， 基于模态分析基本理论，对动车有限元模型在各主要工况下进行了模态分析，然后基于 优化设计的基本理论，利用a n s y s 的优化功能，通过a p d l 参数化语言建立了动车参 数化模型，对整车进行了轻量化设计，最后基于拓扑优化的基本理论，采用i c m 方法的 结构拓扑优化，在动态分柝的基础上，确立了动车车体主要结构件在整车中的动态性能， 运用a l t a 吸软件获得了车体主要结构件具有抗弯和抗扭的良好截面形式：刘晓波【| 4 】 对机车车体断面结构进行了优化设计，根据结构设计的刚度准则，对目前几种常见电力 机车车体断面形式进行综合对比。 在国外，车辆结构的优化设计近几年多集中在高速列车动力学性能优化、耐撞性优 化、多学科优化、近似技术、并行计算等方面。a m h a r t e 1 5 】研究了复合轻轨车体的多 级优化方法。在形状优化过程中，自变量是窗角的圆角半径，而目标函数是车体重量； 对于厚度优化，设计变量是构成面板的夹层厚度，而目标函数仍然是车体质量。多级优 化法通过有效的合成特性来分析整体结构，从而找出墙板最大应力区域。然后，将该区 域进一步划分为各个子区域，这些子区域包含车体参数，如板层厚度及几何形状，通过 优化子区域的参数优化车体参数。利用这种方法明显地减少了优化参数的数量，并且车 体的部件可以按照正常的设计依次进行。i y s h c v t s o v 1 6 】用分段三次艾米尔特插值确定 车轮外形的形状，将活动点的纵向坐标选为设计变量，利用眦s 法( 基于表面响应拟 合的多点近似法) 研究了铁道车辆车轮外形的优化设计。 国内外学者对车辆结构的优化设计已非常全面，但到目前为止，对车体底架断面形 状( 主要是针对大型挤压铝型材的形状) 的优化设计还没有开展。本文针对车体底架这 一特殊结构，根据拓扑优化理论和实际高速列车的中间车车体机构展开优化设计工作， 得到对车体底架断面形状进行优化设计的成套方法主要考虑的问题，这将对生产实践具 有较好的参考价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 课题研究意义 在“全面引进技术，联合设计生产，打造中国品牌 的原则主导下，我国与法国、 日本、德国等国家的机车车辆企业合作，引进高速列车的设计、制造技术，通过引进、 消化、吸收及自主创新的方式，实现了我国列车动车组设计、制造业的现代化，提高了 我国铁路行业的总体水平及综合实力。目前，高速动车组已经大量投入运行，我们要在 熟练掌握高速列车的技术、制造技术的同时，结合我国的实际情况和铁路状况等对高速 列车的结构进行改进和创新，使之真正实现国产化。 高速列车车体的结构形式十分复杂，单凭经验很难设计出理想的结构型式和铝合金 大型挤压型材筋板布局，因此，对高速列车车体型材断面进行布局优化研究具有重要的 现实意义，可为国产化高速列车车体优化和大型工程结构的优化设计提供参考。 通过对车体结构进行强度分析，可以更加深入地了解车体结构的力流分布，各工况 的危险位置，车体结构的薄弱位置等，了解国外车辆的设计规范和设计理念，从而更好 的完成消化吸收工作，也有利于实现车体结构及构件的创新设计。 因此，本文的研究具有一定的实用意义和参考价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章某型高速列车车体简介及有限元模型的建立 2 1 某高速列车车体结构简介 2 1 1 车体主要组成部分 国内某型高速列车铝合金车体承载结构采用大型中空铝合金型材组焊而成，为筒型 整体承载结构，主要由底架、侧墙、端墙和车顶等组成。其焊接形式主要为角焊和对接 焊，而对于薄板等不易焊接件，主要采用胶接等连接形式。如图2 1 所示。 底架：主要由边梁，牵引端梁及地板组成，其中边梁、地板及部分牵引端梁结构均 采用大型中空挤压型材，连接部分及其余的牵引端梁结构主要采用板材拼接而成。 侧墙：主要由侧墙板及门立柱组成，侧墙板也采用大型中空挤压型材拼接组焊而成。 车项：由上弦梁、平项、圆弧顶等结构组成，其主要部件也采用大型中空挤压型材 拼接组焊而成。 端墙：主要由四部分组成：门框、角柱、端墙板和端墙附件。 2 1 2 车体材料特性 表2 - 1 所示为车体承载结构所用材料及其材料机械性能，从车体所用材料可以看出 车体由铝合金挤压型材组成，边梁是主要的传力、承载构件，在同样是铝材的情况下选 用许用强度高的材料。枕粱选用铸钢材料，其弹性模型大，则刚度大。 表2 1 车体承载结构所用材料特性 2 1 3 车体结构主要技术参数 为了计算分析车体结构从生产到最后报废整个生命周期内可能产生的载荷引起的 应力，必须考虑车体结构所承受的车内各种设备，图2 1 所示为车下设备及其吊挂位置 的c a d 结构图，主要设备及重量如表2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1厂广 u 一【 1 1h 守篱彗；6 画。r。鬣一 j 守赏茎ur hh 丁j ：l 未了 一蜃胃j 一 j jh 筝广圉_ 。卜露 舀h 茜二孟筝。l1 12 3 氲麟j l 废排单元；2 主变压器；3 牵引变流器；4 通风机 图2 1 车体结构c a d 图 表2 - 2 主要设备及重量 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 续) 表2 - 2 主要设备及重量 2 2 有限元方法基本理论 有限单元法( 或称有限元法) 是当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法， 由于其通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学技术的快速发 展，现己成为计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 的重要组成部分。 2 2 1 有限元法的早期工作 从应用数学的角度考虑，有限元法的基本思想可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工 作。它首先尝试应用在一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能原理相结合， 来求解s t v e n a n t 扭转问题。此后，不少应用数学家、物理学家和工程师分别从不同角 度对有限元法的离散理论、方法及应用进行了研究。有限元法的实际应用是随着电子计 算机的出现而开始的。首先是t u r n e r , c l o u g h 等人【1 8 】于1 9 5 6 年将刚架分析中的位移法推 广到弹性力学平面问题，并用于飞机结构的分析。他们首次给出了用三角形单元求解平 面应力问题的正确解答。三角形单元的特性矩阵和结构的求解方程是由弹性理论的方程 通过直接刚度法确定的。他们的研究工作开始了利用电子计算机求解复杂弹性力学问题 的新阶段。1 9 6 0 年c l o u g h 1 9 进一步求解了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元 法”的名称，使人们更清楚地认识到有限单元法的特性和功效。 2 2 2 有限元法概述 有限单元法是力学、计算数学和现代计算技术相结合的产物，不仅是一种求解微分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 方程边值问题强有力的数值方法，而且是一种根据变分原理来求解数学、物理问题的数 值计算方法，对分析复杂结构或多自由度系统来说十分有效，该方法在解决不同类型的 应用科学和工程问题方面显示出了巨大的潜力。计算机技术的飞速发展为有限元法的应 用和发展提供了充分的物质基础。实际上，有限元法发展至今已较为完善，被确认为是 工程分析中最强有力而且最通用的一种计算方法，实践性强且具有强大的生命力。利用 有限元进行结构分析，实质上是一种“电子计算机的数值试验 ，它不仅使过去进行运算 课题获得了数值解，还逐步代替了某些成本高、时间长的常规试验。 有限元分析方法是把结构分割成有限个形状简单的单元，单元之间仅在指定的结点 相连，从而形成一个由有限个单元组成的组合体来代替原来的连续体实际结构，并以结 点位移( 基本变量) 来描述单元的力学特性，然后以结点位移为未知量来构建整个结构 的力学特性的线性方程组，求解这组方程得到结点的位移，进而求得每个单元的内力和 应力。一个复杂结构的计算问题就简化为单元的计算，最后归结为线性方程组的求解。 由于结构离散后的单元数是有限的，故称为有限单元法【2 0 】。 2 2 3 有限元分析的主要步骤 有限元方法的基本步骤是： 1 、结构离散 将某个工程结构离散为各种单元组成的计算模型，离散后单元与单元之间利用单元 的节点相互连接起来，离散后的有限个单元的集合体将代替原来实际结构。 有限元离散化过程中的一个重要环节是单元类型的选择，这应根据被分析结构的几 何形状特点，结合载荷、约束、计算精度的要求等全面考虑。 选择确定单元类型后，接着要考虑单元的大小( 即网格的疏密) 。这要根据精度的 要求、计算机的速度和容量来决定，通常在应力集中的部位以及应力变化比较剧烈处增 加单元的密度，同时还要注意同一结构上的网格疏密、单元大小要逐步过渡，避免大小 悬殊的单元相邻。t 2 、选择位移模式 这是单元特性分析的第一步。在结构的离散化完成以后，为了能用节点位移表示单 元的位移、应力和应变，。在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布做出一定的假 设，也就是假设位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。在 有限元法中，普遍地选择多项式作为位移模式，至于多项式的项数和阶次则要考虑到单 元的自由度和有关解的收敛性的要求，至于多项式的项数应等于单元的自由度数，它的 阶次应包括常数项和线性项。 根据所选定的单元位移模式就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系 式，因此它决定了相应的位移差值函数，其矩阵形式为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 f ) = 【) 。 ( 2 1 ) 式中 f ) 为单元内任一点的位移列阵； 】为形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数； 万) 8 为单元的节点位移列阵。 从上式可以看出，选择适合的位移函数是有限元分析的关键，它将决定有限元解答 的性质与近似程度，所以它的选择应遵循一定的准则。 3 、单元力学特性分析 在选择了单元类型和相应的位移模式后，就可以进行单元特性的分析，它包括下面 三部分内容： ( 1 ) 利用几何方程，由表达式( 2 1 ) 导出节点位移表示单元应变的关系式： h = b 艿) 。 ( 2 - 2 ) 式中 占) 是单元内任一点的应变列阵；【刀 称为单元应变矩阵。 利用物理方程，由应变的表达式( 2 2 ) 导出用节点位移表示单元应力的关系式 仃) = 【d 】【b 】 6 ) 。 ( 2 3 ) 式中 仃) 是单元内任一点的应力列阵；【d 】是与单元材料有关的弹性矩阵。 ( 2 ) 利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵，其刚度矩阵方程为 尺) 。叫j j 】。( 2 - 4 ) 式中f 后1 称为单元的刚度矩阵，可以得出： h = 肌b 九d ”】妣膨( 2 - 5 ) 4 、非节点载荷的位置 结构经过离散化之后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是作为 实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因此，这种作用在单元边 界上的表面力以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，形成 等效节点载荷矩阵，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。移置的方法 是按虚功等效的原则进行，即原载荷与节点载荷在任何虚位移上的虚功两者相等。当位 移模式确定之后，这样的载荷移置，结果是位移的。载荷用这样的变换会引起误差，但 根据圣维南原理，这种误差是局部性的，对整体结构影响不大，而且随着单元的逐渐加 密，这一影响会逐步减小。非节点载荷的一般计算公式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 p ) 。= 】： 纠+ r o p 矿+ 儿】r e 网( 2 - 6 ) y a 式中【】c 为集中力； q ) 为作用点处的形函数； 昂) 和 只) 分别为作用在单元上的体积 力和面积力。 5 、整体分析，组集结构总刚度方程组 整体分析的基础是根据所有相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节点上的节 点力和节点载荷保持平衡这两个原则。它包括两方面的内容：一是由各单元的刚度矩阵 集合成整体结构的总刚度矩阵 嗣；二是将作用于各单元的等效节点力集合成总的载荷矩 阵 r ) 。这两项就组成了整体结构的总刚度矩阵方程，又称为结构平衡方程组： r ) = k 】 万) ( 2 7 ) 式中 r ) = q ) + 彳) ，其中 q ) 为节点i 上的集中力； 彳 为各单元在节在i 处 的等效节点载荷的和。 6 、约束处理并求解总刚度方程组 引进边界约束条件，修正总刚度方程后，消除总刚度矩阵的奇异性，就可求得节点 位移。在线性平衡问题中，可以根据方程组的具体特点选择合适的计算方法。对于非线 性的问题，则要通过一系列的步骤，逐步修正刚度矩阵和载荷列阵，才能获得解答。 7 、计算单元应力并整理计算结果 总结来看，如下： 第一，有限元法将被分析的对象，例如一个弹性体或一个机械结构视为有限个单元 构成，这些单元之间仅在节点处相互连接，形成结构模型。对不同的单元分别假设不同 的内部位移模式，并用节点位移来描述。这样，我们只要对构成分析对象的节点位移求 解，就可以求得单元的变形和应力，而不必对弹性体的无限域求解。在同一有限元计算 模型中，尽量避免出现刚度过分悬殊的单元，包括刚度很大的边界元、相邻单元相差很 大等，同时采用较密的网格划分，注意以较好的单元形态进行计算( 尽量采用接近等边 三角形或正方形等) 等措施，从而减小离散带来的误差。 第二，有限元法的物理概念十分清晰，容易为工程技术人员所理解。传统的力学方 法是用数学方法对解析方程求近似解，而有限元法则是对计算对象做物理上的近似( 解 方法离散化) 。有限元理论证明：当单元足够小、网格划分得足够细密时，这个由近似所 产生的误差随网格细化而收敛于零。也就是说，在工程计算时只要网格足够细密，计算 精度是可以保证的。 第三，有限元法引入边界条件的办法简单。边界条件不需要进入单个有限元的方程， 而是求得整个集合的代数方程后再引入，所以对内部和边界上的单元都能采用相同的场 变量函数。而且当边界条件改变时，场变量函数无须改变，这对编制通用化的程序带来 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 了极大的简化。 第四，有限元法不仅适应于复杂的几何形状和边界条件，而且能够处理各种复杂的 材料性质问题，例如材料的各向异性、非线性、随时间或温度而变化的材料性质问题， 另外还可解决非均质连续介质的问题。 第五，有限元法必须求解一个大型代数方程组，这个方程组可能有数千个未知数， 用人工求解几乎是不可能的。因此，必须用大中型电子计算机才能计算，这也是有限元 法为什么是随着电子计算机的发展而发展的原因。 第六，有限元法的计算软件是通用的。现代有限元法软件向高度的通用化、商业化 方向发展。编写一个软件固然要付出大量劳动且需要很多技巧，但是对于应用有限元法 进行工程计算而言，用户不必自行编写软件，选择合适的软件计算某一工程问题，则是 非常容易的技术工作。 2 2 4h y p e r m e s h 软件的介绍 h y p e r m e s h 是一个高性能的有限单元前、后处理器，支持c a d 几何模型和已有的有 限元模型的直接输入，可减少重复性建模工作；其后处理工具能形象地表现复杂的仿真 结果；具有很高的速度、很好的适应性和可定制性，并且对模型规模没有限制。 h y p e r m e s h 具有工业界主要的c a d 数据接口，它包含一系列工具，用于整理和改进 输入的几何模型。输入的几何模型可能会有间隙、重叠和缺损，这些都会妨碍高质量网 格的自动划分。h y p c r m c s h 提供方便、实用的几何清理工具，通过消除缺损和孔洞以及 压缩相邻曲面的边界等，用户可以在模型内更大、更合理的区域划分网格，从而提高网 格划分的总体速度和质量；同时，它还具有云图显示网格质量、单元质量跟踪检查等方 便的工具，可以及时进行检查并改进网格质量。 h y p c r m c s h 提供完备的后处理功能组件，以便用户轻松、准确地理解并表达复杂的 仿真结果。它具有完善的可视化功能，可以使用等值面、变形、云图、瞬变、矢量图和 截面云图等的变形结果。它支持变形、线性、复合以及瞬变动画显示，此外，还可以直 接生成b m p 、j p g 、e p s 、t i f f 等格式的图形文件及通用的动画格式。这些特性结合友 好的用户界面，使用户迅速找到问题所在，同时有助于缩短评估的过程【z 。 h y p e n n c s h 支持多种不同的求解器输入、，输出格式，同时具有完善的输出模板语言 和c 函数库，用于开发输入转化器接口，从而提供对其他求解器的支持。 2 2 5a n s y s 软件的介绍 a n s y s 软件是由世界上著名的有限元分析软件公司a n s y s 开发，融合结构、热、 流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油 化工、航天航空、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生 物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 机及操作系统中运行，从p c 到工作站再到巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产品系 列和工作平台上均兼容。 a n s y s 可以用于结构分析、热分析、电磁分析、流体分析( c f d ) 、耦合场分析一 多物理场。结构分析可以确定结构的变形、应变、应力及反作用力；可以用来进行静力 分析中的结构的线性及非线性行为，如大变形、大应变、应力刚化、接触、超弹及蠕变 等问题；可以进行模态分析中计算结构的自振频率、振形以及瞬态动力学分析等。热分 析一般不是单独的，其后往往进行结构分析，可以计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的 应力；可以分析计算物体的瞬态或瞬态温度分布以及热量的获取或损失、热梯度、热通 量等。电磁分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、 涡流、耗能及磁通量泄露等。流体分析主要用于确定流体的流动及热行为。耦合场分析 主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用【2 2 1 。 本文采用a n s y s 软件结构分析模块，来进行车体的静强度计算分析。 2 3 车体有限元模型的建立 2 3 1 车体模型的简化 有限元分析是对工程结构的近似模拟，只要计算结果在误差范围内，就达到了模拟 的效果。有限元模型，特别是像车体这样复杂的结构，无论是简化的有限元模型还是详 细的有限元模型，都不能和实际车体保持完全一致。而过于细致地描述一些细小的结构， 会增