（光学工程专业论文）内燃动力车车体强度和动力性能有限元计算与分析.pdf

两南变通大学研究生学位论文 r 3 ；，3 2 磁 内燃动力车车体强度和动力性能有限元计算与分析 ( 工学硕士学位论文) 摘要 适应高速条件下运行的内燃动力车车体足一个轻量化、流线化 的整体承载结构，其强度和动力性能关系到行车安全和列车速度的提 高，是动车设计的重要内容之一。 本文详细分析了内燃动力车运用中的载荷特征，并阐述了适应 于高速运行的内燃动力车车体的整体承载结构及其轻量化途径。 弋本文旗于人型工程计算软件一a n s y s ，在s g i r = 作站二进行 了模拟计算。为r 真实地反映实际结构，减小模型误差，提商计算精 度，作者细致地进行结构模拟和单厄划分，整个车体离散成一个具有： 1 4 0 9 4 7 个单元、1 4 5 4 9 5 个节点的大型有限元模型。 本文针对动力车运用中可能出现的情况，计算r 共计八种经常 性和偶然性的工况，对各工况下车体的应力状态进行丁详细分析，找 到_ r 由于减重向- 带来的车体结构乖向刚度较小和局部结构存在的缺 陷。本文提出的结构改进，不仅可在减重的总要求下，提高车体整体 刚度，消除局部结构的缺陷，还探求丁加强承载车体结构整体及局部 强度的规律。 本文对车体的模态进行了大量的计算和分析，以避免列车运行 中，车体固有频率与外界激振频率接近，丽导致车体发生菇振：并对 建立车体模态计算的模型进行了探索。 在论文的最后，作者对内燃动力车车体结构改进和车体的进一 步轻量化阐述r 自己的观点，并对车体的有限元计算方法提出了建 议：丫 、 关键词：内燃动力车车体强度模念冁型、有限几分析 第1 页其6 5 页 翼皇奎翼查茎至耋耋耋堡墼塞 ； 。一：。， a b s t r a c t t h eb o d yo ft h ed i e s e ll o c o m o t i v er u n n i n ga tm e1 l i g h s p e e d i sao v e r a l l l o a d i n g s t r u c t u r e w e i g h t - r e d u c e d a n d s t r e a m l i n e d , t h ei n t e n s i t ya n dd y n a m i cp r o p e r t y o fw h i c hi so n e o ft h e i m p o r t a n t c o n t e n t so ft h ed m ud e s i g n , c o n c e r nt h e s a f e t ya n d t h ei m p r o v i n g s p e e d ia n a l y z ei nd e t a i lt h el o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i e s e l l o c o m o t i v e i l l u s t r a t ei t so v e r a l ls t r u c t u r a lf l a m er u n n i n ga tt h e h i 曲s p e e da n de x p l o r ea p p r o a c h e st oi t sw e i g h t r e d u c t i o na n d s t r e a m l i n ei nt h i st h e s i s t h ef i l e s i sc o n d u c t ss i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n so nt h es g l w o r k - s t a t i o n , u s m g t h e l a r g e s c a l ee n g i n e e r i n g s o f t w a r e a n s y s t br e f l e c tt h ea c t u a ls t r u c t u r e 。t or e d u c et h em o d e l e r r o r , a n dt o u p g r a d e t h e c o m p u t ea c c u r a c y , t h e s t r u c t u r a l s i m u l a t i o na n de l e m e n t - m a s h i n ga r em e t i c u l o u s l yd o n e t h e w h o l el o c o m o t i v eb o d yi sm a s h e di n t oag r e a tf i n i t ee l e m e n t m o d ew i t h14 0 9 4 7e l e m e n t sa n d14 5 ，4 9 5n o d e s i nv i e wo ft h e p o s s i b l e s i t u a t i o n so ft h e p o w e r e d c a r r u n m g a tt h eh i g hs p e e d , t h i st h e s i sc o m p u t e sv a r i o u sn o r m a l a n da b n o l m a l j o a d i n gc o n d i t i o n s ( 8 i n t o t 羽) ，a n a l y s e s d e t a i l e d l y t h e b o d y sw o r k i n gs t r e s s e s i nd i f f e r e n t l o a d i n g c o n d i t i o n sa n df i n d so u tas e r i e so fs h o r t c o m i n g sd u et ot h e v e r t i c a ls m a l is t r e n g t h i nw e i g h tr e d u c t i o n , m e a s u r e st ou p g r a d e t h eo v e r a l ls t r e n g t ha n dr e i n f o r c et h e p a r t i a ls t r u c t u r ea r e f i g u r e do u tb yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r e n el a w so fr e i n f o r c i n g t h es t r u c t u r e ，b o t ho v e r a l la n d p a r t i a lw i l lb eg e n e r a l i z e d m u c hc o m p u t a t i o na n dd e t a i l e dn u m e r i c a la n a l y s i sa r e m a d eo ft h eb o d y sm o d e ，t oa v o i dt h ea p p r o x i m a t i n go ft h e b o d y s i n h e r e n tf r e q u e n c yt ot h eo u t s i d ea c t i v a t i n gf r e q u e n c y , 第2 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 ! ! e ! i _ e # t = ! l ! ! ! 。s # # ! = ! f 第一章绪论 第一节世界各国发展动车组的现状及我国发展动车组 的必要性 动车组就其概念来说，既不是单独的机车，也不是单纯的客车， 而是两者的组合体，它是一种高速度、安全、舒适的铁路旅客运输的 运载工具。动车组运行灵活、方便，整备时间短，起动加速快，制动 距离短，有利于提高旅行速度，特别适合于城问快运、旅游专线及支 线短途客运，容易实现经济运营。与其它交通工具相比，在载客量、 能耗、舒适性和旅行速度等方面都其有竞争性。 早在十九世纪末，已有内燃动车组的雏型。但由于经济发展和 技术制约，直到二：十世纪中叶，客运动车组才得到广泛应用和发展。 从高速动车组的发展进程来看，有早期的法国t g v 0 0 1 号燃汽轮动 车组，有最高速度1 8 0 k m h 的丹麦i c 3 和瑞典y ，1 6 0 k m h 的法国 t e r 和德国v r 6 1 0 ，1 5 0 k m h 的韩国d h c ，1 4 5 k m h 的英国1 6 6 型 和日本2 8 1 、2 8 3 系列以及1 4 0 k m h 的挪威m b 9 2 等为代表的内燃动 车组。有最高速度1 6 0 k m h 的比利时a m 9 6 ，2 0 0 k m h 的瑞典x 2 0 0 0 k x 2 2 、意大利朗限4 7 0 ，2 0 0 k m h 以上的日本肛枷o 系列，法国的t g v 系列，德国的i c e ，意大利e t r 4 5 0 、e t r 4 6 0 等为代表的电动车组。 国外的动车组发展进程表明，在定程度上，动车组的发展依 赖经济发展的刺激和技术的支持。 过去的几十年，由于运输能力不足，我国铁路一直处于紧张状 况，并以拉得多、跑得快，安全、舒适等明显优势，而在各种运输方 式的竞争中站住脚跟，并得到大规模发展。在运输市场上从来没有出 现市场虚靡现象，因而在运行机制上缺乏改革动力。列车速度长期徘 垫：堡童型【! 翊金缉：! 塑笙：燕窒型奎垩垫蕉廑塑堡2 1 虫也：夔查 第6 页共6 5 页 要要塞塑查茎墼窑耋茎堡篓圣 ： _ _ ! i = = _ ! 自目= ! = = g ，g = t ! t = = ! e = ! = g = = # = = = = = = = = = = 目。= 口_ 。5 一 列车最高速度不到1 2 0 k m h ，而其他许多国家高速列车运营速度多在 1 4 0 - - - 3 0 0 k r n h ，我国的列车运行速度与世界水平相差甚远。 近年来，随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，人们出 外旅游、公务、商务的机会越来越多，旅客运输总量呈不断上升的趋 势，且人们对交通工具的舒适程度和便利快捷程度提出了更高的要 求，也由于公路、航空运输的快速发展，“短途铁路不如公路方便， 长途铁路不如航空快捷”的观念在人们脑海中渐渐形成，国内铁路 运输失去了大量的市场份额，失去了其垄断地位，使运输市场进入了 一个新的竞争时期。 国内外实践表明，造成这一局面的原因很多，但是，带有根本 性的原因之一是运输速度问题。国内也有人提出“铁路的振兴，关 键在于速度”。交通工具的竞争不是仅仅取决于速度，但可以说， 旅行时间长，在竞争中将明显处于不利地位。人们普遍认为，提高列 车速度，以缩短旅行时间，在铁路与其他交通工具的竞争中，可以提 高其竞争力。 我国运输市场发生的变化，给铁路提速带来了动力，9 5 年之后 的几年里，在广深线上开行r 最高速度为1 6 0 - - - 2 0 0 k m h 的准高 或高速列车，其他线路也有高速或提速列车在试验或运行，各大干线 也在加紧改造或更新基础设施，国内机车车辆厂各式各样的动车组设 计方案也纷纷出台，标志着我国动车组的发展条件已经成熟。 舅 = 节动力车的形式：动力集中和动力分散的比较 动车组有动力集中和动力分散两种形式。法国的t g v 和德国的 i c e 等国外高速动车组大多采用动力集中的形式，并且比较成功。据 资料 8 】介绍，列车牵引动力的发展趋势表明，动力集中式是第二、 三代动车组的牵引动力形式。我国动车组雏形均采用了动力集中的形 式主要因为国内机车车辆厂的技术储备和习惯的延续，当然也因为 第7 页共6 5 页 西南交通犬学研究生学位论文 有国外成熟的经验可以借鉴。 动力集中和动力分散两种形式各有优缺点： 1 、列车的平均轴重 采用动力集中的动车组平均轴重比动力分散小。如；德国i c e 的平均轴重为1 25 吨，意大利e t r 5 2 0 为1 2 9 吨，面日本的0 系列 则为1 6 吨，1 0 0 系列为1 5 吨。平均轴重低可以减少线路的建设投资， 减轻对线路的动力作用，从而减少线路的检修和维护费用。 2 、最大轴重 动力集中式动车组最大轴重要比动力分散式的大。如：德国i c e 的最大轴重为1 9 吨，法国t g v a 为1 7 吨，而日本的0 系列则为1 6 吨。 3 、粘着利用和加速性能 动力分散的动车组大部分或全部为动力车，能充分利用轮轨的 粘着力，因而具有较大的起动牵引力和较好的起动加速性能；动力集 中式动车组的全部拖车的轮轨之间的粘着不能在起动加速时得以利 用。 4 、运输组织的灵活性 运输组织时，根据客流的变化，动力集中式动车组的中间拖车 可以随意摘挂( 在动力车总功率范围内) ，列车编组比较自由，并且， 不影响列车的空气动力学性能。而动力分散式的则不能如此灵活地变 动编组，其编组改变只能是中问齄个单元地变动。 第三节内燃动力车车体强度和动力性能计算与分析 的重要性 在动力集中式动车组中，动力车基于牵引功率的提高，在其自 重中，牵引设备和机械设备重量的比例增大。由于动力车轴重的限制， 车体等结构重量必须相应减小。在此情况下，车体的强度，刚度需依 靠结构的协调及材料的合理运用来保证。动力车结构的强度与动力性 第8 霸共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 j ! ! - ! 暑皇兰篁兰出昔昔母毫霉寰寡鼍詈篁兰晕皇毒奄舞舞暑量墨皇# b 能已成为整体承载和轻量化设计的关键技术指标a 我国的动力车车体一般采用整体承载结构，由众多纵横梁秆件 加强的带有许多门窗切口的封闭薄壳系统，是一个复杂的超静定结构 系统。在其强度计算与校核时，以材料力学、弹性力学和结构力学为 基础的经典方法难以求得精确解。采用试验方法，人力、物力投入叉 非常巨大。为了顺利地解决机车车辆强度计算与校核问题，除了采用 先进的试验方法对车辆进行强度鉴定外，依靠先进的计算机技术，采 用有限元分析方法对车辆结构和强度进行设计、分析，已成为一种有 效的手段。 第四节有限元方法及a n s y s 软件简介 有限元方法可以借助于计算机来获得满足需要的数值解。它是 近代随着高速计算机的兴起而发展起来的一种有效的数值模拟技术。 尤其随着计算机软件技术的发展，有限元法有了巨大发展，其适用范 围不断扩大，已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由 静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析对象从 弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩 展鲥流体力学、传热学、电磁学等领域。 以a n s y s 为代表的工程有限元软件，不断吸取计算方法和计 算机技术的最新发展，在结构、流体、声学、电场、热场、磁场、及 偶合场等分析领域都的到了广泛采用，其使用方便、计算精度高，计 算结果已成为产鼎设计和性能分析的可靠依据。我国铁路机车车辆设 计者们也赶着这一世界潮流，在机车车辆的设计和强度分析中广泛采 用。 第9 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 第五节论文主要工作 本文阐述了城际快运的内燃动力车车体所承受的载荷及车体应 具有的整体承载与轻量化、流线化结构。并针对高速度条件下，内燃 动力车车体的静强度和模态，应用a n s y s 软件在s g i 工作站上进行 了模拟计算，通过建模、计算和分析，找出其结构的薄弱环节，提出 改进意见，使其结构更加合理，并寻找其结构进一步改进的规律，以 指导制造厂的制造施工，对以后的车体结构设计也具有指导意义。 论文工作的重点： l 、内燃动力车车体的建模与分析 2 、探索车体结构的改进措施 论文的主要内容： l 、分析高速条件下运用的内燃动力车车体承受的载荷 2 ，阐述适应商速条件下运用的内燃动力车车体结构 3 、内燃动力车车体的建模与分析及计算载荷、工况及评定标准 的确定 4 、车体的模态计算分析 5 、整体及局部应力状态的评定与分析 6 、车体结构的改进方案 7 、结论与建议 第l o 页共6 5 页 璧室耋堡奎兰墅塞圭兰堡鎏耋 ：。：， _ 0 1 ! j ! 目t ! ! ! e e g 自g 自自目! e j l e = l = _ ! e = = = 2 4 2 口5 8 4 5 一 第二章内燃动力车车体的载荷特征 人们通常认为，高速列车的速度范围是：低于1 4 0 k m h 为一般 速度，1 4 0 - - 2 0 0 k m h 为准高或快速，2 0 0 k m h 一4 0 0 k m h 为高速， 4 0 0 k m h 以上为超高速。对准高或快速列车的设计，可采用高速试 验列车动力车强度及动力学性能规范( 暂行) ，以下称：规范( 暂 行) ，并参照国际铁路联盟u i c m e r k b l a r 5 6 6 ( 1 9 9 2 ) 标准。 第一节内燃动力车应用的特点 应用于高速的旅客列车牵引的内燃动力车，与一般的铁路机车有 所不同： 1 ) 采用动车组式编组，并提供牵引动力，内燃动力车多数采用 动力集中的形式。 2 ) 一般用于城间高速或快速客运，功率较大，性能可靠，机动 灵活，安全性好。 3 ) 采用轻量化车体，以防止轴重过大，对线路造成过大的损坏。 4 ) 车体流线化程度比较高，以减小高速时，空气对列车的阻力 及列车对空气扰动产生的噪音。 5 ) 封闭及隔音效果好，以降低车内噪音和高速时车体内外压力 差带给司机的不舒适感。 6 ) 造型美观，色调明快。 第j l 页共酗页 西南交通大学研究生学位论文 t ! e ! _ i j l l i i r i = ! _ = ! 1 2 e z l = 1 0 第二节内燃动力车车体承受的载荷 内燃动力车车体不仅和一般机车车体一样承受多种载荷( 力) 的作用。还有低速时通常不予考虑，面高速度时不能再忽略的载荷。 从其性质来说，作用于车体的载荷有动载荷和静载荷两种： 静载荷在运行中具有确定的数值和方向，如：车体的自重、设 备重量等。 动载荷是指在列车运行过程中随时间的变化其数值和方向随之 变化的载荷。动载荷中，一些具有某种规律，而多数具有不确定、随 机的特点。如：列车在运行中由于振动( 包括柴油机等设备运转) 造 成车体结构件的动载荷；由于列车起动、调速、制动和调车作业等引 起的作用于车体有关组件上的冲击力：列车进入缓和曲线时，由于外 轨超高，使车体扭转的力矩；通过曲线时，车体产生的离心力；还有 自然风力，通过隧道、交会列车的空气动力学载荷等。 高速条件下，车体承受的载荷种类： 一、垂直载荷 作用于车体的垂直载荷包括：垂真静载荷和垂直动载荷 1 、垂直静载荷： 作用于动力车车体上的垂直载荷p s t 包括车体自重、设备和髓 备重量，详细载荷分布见附录。 车体结构重量： 在进行动力车强度计算时，车体自重包括车体钢结构、木结构 的重量，以及车体结构的其它零部件重量。 设备重量： 作为列车的牵引动力装置，动力车上应具有必要的动力及辅助 设施和其它相关设备，如：柴油发电机组、冷却及油水供应设备、空 调装置等。 整备重量： 动力车的整备重量主要包括：燃油、润滑油、砂、水、备用件 第1 2 页共6 5 页 一一。，璧羹譬墅篓丝塑二。， 和工具等，其数值以装满备足计算。 2 、垂直动载荷： 垂直动载荷吻是由于轨面不平、钢轨接缝、越过道岔等线路原 因、动力车本身状态不良( 如车轮滚动圆偏心、呈椭圆状、踏面擦伤 等) 引起的轮轨间冲击和簧上振动以及动力设备的运转而产生，通常 的计算方法为：垂直动载荷= 垂直静载荷垂直动载荷系数。 即：饧= k 西岛 垂直动载荷系数足咖的数值与列车的运行速度v ( 1 m 曲) ，转向 架弹簧装置的静挠度知( m m ) 以及所计算的零部件在弹簧悬挂系统中 的位置等因素有关，按规范( 暂行) ，取值1 3 。 二、纵向力： 当列车起动、变速、制动和调车等作业时，在动力车与拖车之 间所产生的牵引或压缩冲击力。纵向力通过牵引缓冲装置作用于车体 底架牵引梁上，使车体承受偏心的拉压作用。纵向力的大小与动力车 的功率、列车的重量、运行速度、制动机性能、缓冲器特性、车体的 纵向刚度、调车时与车辆的碰撞速度以及司机的操纵技术等因素有 关。因此，要准确地计算纵向力的数值是很困难的。目前，各国大都 依据大量的运用和试验资料，应用概率统计的方法，定出在各种工况 下的纵向力数值，作为强度计算和试验的依据。 列车以高速度正常运行时，纵向载荷为转向架对车体的持续牵 引力和列车继续加速引起的惯性力。 列车在高速运行中进行调速或制动，由于轮轨粘着力较小，即 使是紧急制动的情况，引起的纵向作用力也不会很大，这对车体受力 主要还是垂直动载荷。 列车起动和低速时制动或缓解，这时的纵向作用力比较大，主 要是因为轮轨之间的粘着力相对较大，但由于动车组重量较轻，制动 和缓解一致性好，其纵向作用力也不及一般机车的大。与调车时的冲 击情况综合考虑，按规范( 暂行) ：计算时按纵向拉伸力1 2 0 0 k n ， 第1 3 页共6 5 页 西南文通大学研究生学位论文 压缩力1 5 0 0 k n 计算。该力沿车钩中心线作用于车底架的前后从板座 上，此纵向力在车体中产生的应力与垂向载荷、侧向载荷、扭转载荷 所产生的应力相叠加，其和不得大于规定的许用应力。 另外，列车起动时还有瞬时冲击力。列车起动时，由于动力转 向架首先起动，以某一速度前进，冲击车体，然后，与静止的车体一 起运动。按规范( 暂行) ，其冲击力按：转向架质量x 3 9 来计算， 方向向前，作用于牵引座处。 三、侧向力 作用于车体j 二的侧向力包括侧向风力和曲线运行时的离心力。 随着列车的轻量化程度提高以及运行速度的加快，加剧了侧风 作用下列车的不稳定性。国内外都出现过大风造成列车颠覆的事故。 最彳i 利的情况出现在列车通过曲线、丘陵地区的风口地带、高路堤及 商架铁路地段。对于动力车来说，当然不存在由于侧风而颠覆的事故， 但如果它与通过曲线的未平衡离心力共同作用时，就不能不考虑其对 侧墙稳定性的影响。 侧向风力按风压力乘以车体侧向投影面积来计算。风力的合力 作用于车体侧向投影面的形心上。按规范( 暂行) ，( 包括空气动 力学引起的侧向力) 风压力取值0 7 0 k n m 2 ( 或7 0 0 p a ) 。 列车运行在线路的曲线区段时，受到离心力的作用。车体的离 心力h 。作用于车体的重心，其方向沿径向指向曲线外侧，其数值为： h 1 = 珞x o r g x 3 6 式中：一车体垂直静载荷 n g 一重力加速度m 心取值：9 8 i 尺一曲线半径 n l 稍过曲线时，车辆的最大允许速度k i n & 为了减小离心力h i 对车辆的作用，线路曲线地段设有外轨超 高，超高量 与曲线半径尺、行车规定速度y 等有关。由于外轨超高， 在车体垂直静载荷岛作用下，产生与离心力h 1 相反方向的h ，分 第1 4 页共6 5 页 西南交通大学研究生掌位论文 力，从而抵消一部分离心力。 h h 2 = p s i n a = p 畦x ：鼍 二q h 一外轨超高量m m 2 如轮对两滚动圆之问的距离m m 取值：1 4 9 3 来被平衡离心力h = h 1 h 2 日是正值时，属于过超高情况，反之，为欠超高情况。 为了简化计算，参考世界其他国家高速列车运用和我国一般速 度列车运用的经验，朱被平衡离心力( 按过超高) h 的数值取垂直静 载荷的1 0 o 。即= o 1 岛，也就是a = 0 1 9 由于j v l ，2 均属于空间力，而风力则是一种分布面力，放要 精确地计算( 或试验) 出它们对车体零部件应力的影响却是较为复杂 的。通常在评定车体侧壁( 包括下侧粱) 的强度时，把由垂直静载荷 b f 产生的应力增大l o 作为考虑侧向力的影响。 四、扭转载荷 当列车通过线路的缓和曲线时，前转向架已进入缓和曲线，而 后转向架仍然处于平道上。这时，前转向架的外侧旁承增载，造成后 转向架内侧旁承也增载，这样，车体将承受扭转变形。扭矩的大小为 p l ，其中a p 为对角旁承的反力，l 为左右旁承中心线距离之半。 计算车体强度时，a p l 取为4 0 k n m ，它们作用在车体前后旁承所在 的横截面内。 五、空气动力学载荷 商速条件下，列车交错通过相邻轨道，受到相向列车通过时弓 第1 5 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 起的压力波动影响，这种压力波动可以造成车体侧墙失稳，车体内压 力随之波动，造成乘务员的不舒适感。 列车以高速度通过隧道时，由于隧道壁对空气流动的限制和对 空气压力波的反射，造成列车( 特别是头部动力车) 内外产生较大的 压力差和压力波动空气动力学载荷强度较开阔地带远为增大。 象这样，高速条件下，列车运行、交会或通过隧道时的空气动 力学载荷，低速时，通常都不予考虑，而高速度时，对列车的影响很 大，不能再忽略。按规范( 暂行) ，车体内外压力差取为：6 0 0 0 p a 第 1 6 页共6 5 页 。耋璧鹜塑篓型鎏誓。一 l ! s = t = # _ g i e ! ! ! = = 2 。5 。一 第三章内燃动力车车体的承载结构及其流 线化、轻量化途径 第一节适应于高速的车体结构特点 一、车体的整体承载与轻量化 随着列车速度的提高，牵引动力功率必然加大，其相应设备重 量增加，车体承受的静载荷加大：列车运行速度的提高。车体承受的 动载荷迅速上升；在意外事故中，保证司乘人员的安全；同时，需要 减轻轴重，以减小对线路的破坏。由于以上的诸多原因，动力车车体 的整体承载是必由之路。 车体的整体承载意味着在同样的自重下，结构强度增加，承受 的载荷增加，也就是说，设备重量可以增加或者行车速度可以提高。 采用承载式车体的实践表明，在不能抗住的外力作用下，车体结构将 产生溃缩，而非散落，从而保障司乘人员的安全。 二、车体的流线化 高速度条件下，列车受到巨大的空气阻力，并对空气产生强大 的扰动，上一章第二节的“空气动力学载荷”也论及此问题。国外 风洞试验和实际运用经验也表明，头部采用流线形是减阻的重要措 施，据测定，采用圆滑端部的列车运行阻力仅为方形端部( 我国传统 机车的头形) 的1 ，s 一1 6 。国内也有关试验，据资料 1 0 l 介绍，1 6 0 k m h 运行时，四方厂准高速单层客车( 未加下包裙板) 比浦镇厂准高速双 层客车( 加下包裙板) 的平行单位阻力大2 5 左右，这一情况表明： 既使是快速列车，采用流线化措施都不容忽视，因此，流线型车体是 高速度列车减阻的重要手段。 实际上，流线化也是动车组其他气动性能( 如：降低噪音等) 第1 7 页共6 5 页 西南交调大学研究生学位论文 设计的重点。 第二节内燃动力车车体的具体结构 内燃动力车车体与一般铁路机车车体的结构有许多相似之处。 但由于要适应速度高的要求，如：减小空气阻力、承受较大的扭转载 荷和空气动力学载荷等，其结构具有其独自的特征：车体为全金属焊 接结构，由司机室、底架、侧墙、端墙、车顶等部分焊接而成，在钢 骨架外面焊有金属地板、侧墙板、端墙板和车顶板，形成一个封闭壳 体，俗称薄壁简形结构车体。壳体内有若干纵横交错的梁、柱，以增 强结构的强度和刚度，形成整体承载结构。车体与转向架具有良好的 连接，各连接支座具有足够的强度和抗冲击性能。司机室结构为刚度 尽可能高的犍体结构，与侧墙及底架构成体。其结构如图2 l 所示。 车体主要技术参数： 最高运行速度 车体最大长度( 包括不风挡通过台) 车体最大宽度 车体最大商度 车体最大回转中心距 通过最小曲线半径 前端车钩中心线距轨面高 后端车钩中心线距轨面高 底架侧梁上平面距轨面高 底架横粱上平面距轨面高 车体走廊地板距轨面高 轴式 1 8 0 k m h 2 0 7 8 0 m m 3 1 0 0 m m 8 8 0 r a m 8 8 0 m m 1 6 0 0 r a m 1 6 0 0 r a m 1 7 9 5 m m c o c o 第1 8 页共6 5 页 抛 咖 嘶m 4 2 5甜他m 里童耋堡奎兰墼耋耋耋堡耋圣 ，：。! ：。，。，；， ! t j 自 ! ! e ! = e = e = = = = 口4 一 图2 1内燃动力车车体结构 一、头部结构及司机室 内燃动力车位于列车的头部，从空气动力学角度考虑，对其头 形进行流线化设计，尤其重要，是动力车设计的关键之一。 头部外形，考虑因素有：强度、剐度及减重，空气动力学性能， 机车总体布局，司机室设备及结构布爱，造型风格，制造工艺豹可行 性等。 内燃动力车头形设计时，采用了比较大的细长比，头灯、标志 灯等设备全部包裹起来，外表面不允许有任何突出物，排障器部分全 部封闭，以阻止迎面气流冲向车底，两侧下部装有2 m m 厚耐候钢裙 板，以减少车体下部设备的空气回流作用。其结构如图2 2 所示 ( 未画出裙板和鼻锥) 。 司机室总长4 0 9 0 r a m ，其钢结构长3 3 9 0 m m 。司机室承载结构 为整体刚度较大的网格梁结构，梁截面有两种：7 0 8 ，7 0 4 ，侧 面部分为直板梁，其余为圆弧板梁，前脸纵向四根连续粗板梁和两根 第1 9 页共6 s 页 塑室塞塞查兰矍塞圭兰堡鎏塞 。，。：，：，。， ! = e = 目$ ! ! e 日l i 口j = = 目4 4 2 5 一 细板梁对称布置，一端与底架侧梁连接，另一端与上口梁连接，横截 面及水平面上，各梁封闭成环。蒙皮为2 m m 。 图2 2 内燃动力车流线型头部结构 二、内燃动力车车体承载结构 车体采用框架式整体承载结构，是由钢板及其压型件和型钢组 焊成的全钢结构。侧墙及司机室的立柱与底架侧梁采用角焊缝刚性连 接，其蒙皮为搭接：侧墙纵向梁与司机室及后端墙立柱采用角焊缝刚 性连接，其蒙皮为对接。主要由底架、侧墙、车顶等几部分组成。 i 、底架车体底架为无中梁结构形式，主要靠两侧梁承受载荷， 横梁根据设备的布霹而设计，作为机械电气设备的安装台，均为( 一 般6 或8 m m 厚谰板或型钢组焊而成。具体有：侧梁装配、柴油机座 梁装配、前后旁承梁装配和前后牵引梁装配。其结构如图2 _ 3 所 示。 侧梁装配侧梁为3 6 0 1 0 6 7 5 轻型槽钢，以6 m m 板封闭成 箱形，各横梁对应位置加有6 r a m 肋板，两侧梁与各端粱、横梁联接， 第2 0 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 构成强大的承载结构。 柴油机座梁装配由两根柴油机横梁及四根侧横粱以车体回转 中心对称布置，因柴油机安装的需要，此六根梁中间呈台阶下凹，其 间有两根槽形截面的纵向梁，以加强柴油机座的刚度，其前端为两根 纵向2 & o x s o x 8 槽形电机梁和一根箱形横梁，后部为两根纵向2 8 0 x 8 0 x 8 槽形钢和根箱形横梁，用于安装预热系统。 旁承梁装配每个旁承由两根纵向梁( 一根为6 m m 板焊接成的 鱼腹形，另一根为2 8 0 8 4 x 9 5 槽钢) 、两根小横梁( 均为8 m m 压 形槽形钢) 、两根大横粱( 4 4 0 x 2 8 0 箱形截面，立板6 r a m ，上下盏板 8 r a m ) 组成目字形结构。左右旁承对称于车体中心线，共用两根大 横梁。前后旁承梁装配以车体回转中心对称布置，结构类似( 区别在 于：为了牵引梁安装有足够的空间，第二位大横粱凹进1 5 0 m m ，形 成弯梁) ，距离1 2 2 0 0 m m 。 前后牵引粱装配采用无斜撑的单牵引粱，与端粱、侧粱形成 e 字形结构，传递强大的拉伸和压缩载荷；底架后端装有密封式车钩 缓冲装置供牵引列车用，前端不设置正常牵引列车用车钩，只设置非 正常牵引列车工况下供调车或其他工况使用的牵引装置。 图2 _ _ 3内燃动力车底架结构 第2 l 页共酗页 一 。塑塑塑型型丝鳖一 2 、侧墙车体的侧墙结构，考虑到门、窗等的设置，采用了框 架式结构。前端墙立柱( 1 8 0 x 5 7 x 3 口字梁) 、1 4 个侧墙立柱和后 端墙立柱( 均为1 2 0 x 5 7 x 3 口字梁) 与上弦梁( 1 2 0 x 5 7 x 7 槽钢， 蒙以6 m m 板形成口字形) 及底架侧梁刚性联接，前端窗上下梁为6 5 7 x 5 0 6 2 帽形梁，后端窗间梁尺寸同侧墙立柱：两侧墙后部 各有上下两排八个通气窗，中央位置有侧门，考虑至- o f 3 、窗对结构的 强度影响，门、窗对应地板高度位置，设有加强梁，辅以地板梁( 5 7 4 0 4 角钢) 和蒙皮定位小角钢，再点焊以的2 m m 厚的蒙皮，形 成侧墙承载结构，如图2 4 、图2 5 所示。其中，上弦梁与前 后端粱弯曲槽形钢( 分别为：1 6 0 5 0 3 ，1 0 0 5 0 3 ) 构成封闭 钢环。 3 、车项车顶大盏，由2 2 根1 3 5 7 5 0 x1 3 2 帽形钢棚条， 两根8 0 5 7 x 3 弯曲槽形钢，两个弯梁装配，两个活动梁装配，两 个固定梁装配、前、后端梁装配及上口梁组成，其中，两个弯梁装配、 两个固定梁装配、前后端梁装配与侧墙立柱、底架横粱等形成封闭钢 环，前、后端梁与也上口梁形成封闭钢环。 三、材料 车体底架、司机室梁件、侧墙和后端墙梁件均采用了普通碳素 钢q 3 4 5 e 。为了防止腐蚀及减少维修费用，侧墙及司机室蒙皮采用 耐候钢0 9 c u p c r n i t i ，车顶结构及其蒙皮采用普通碳素钢q 2 s s - a 。 见表2 1 ： 表2 l 材料及其用途： 顺序号材料牌号用途 1 q 2 3 5 - a内部( 如：隔墙、端墙) 蒙皮车项盖板 2 q 2 3 5 - b压形钢( 如：隔墙立柱、横梁、底架地 板安装梁、顶盖粱) 3 q 3 4 5 e型钢及侧墙所有梁、底架焊接梁及地板 4 0 9 c u p c r n i t i 侧墙、司机室蒙皮 第2 2 页共6 5 页 一 里翼耋堡查耋矍塞耋兰堡鎏兰： 。，。，。， 日= = $ 目! # = 目e 目j = = 目4 一 第2 3 页共酗页 k酾妒o_【11【状蛞蟮惧硎埘v嚣埒辫蕈埘蛞抖n匝 塑塑奎塑窑耋篓坚一。， 第四章车体强度计算的建模与计算及 评定标准确定 评定或校核承载结构或构件的强度、刚度和使用寿命，应该符 合规范( 暂行) 中所规定的标准。 第一节计算模型的建立 模型与实际结构的误差是绝对的，而精确只是相对的。为了更 真实地反映车体结构的实际，减少模型误差，对车体的仿真建模时， 从以下几个方蕊入手： l 、车体重要的结构及受力情况恶劣结构件( 如：底架、前后端 墙立柱等) 均采用三维板单元( s h e l l 6 3 ) 模拟。为减少单元、结点数目， 节省机时费用，次要梁件采用梁单元。其中，直梁用次单元 b e a m l 8 8 ，弯梁全部采用二次单元b e a m l 8 9 ，以便平滑连接。 2 、板板、粱一板、粱一梁之间的连接，均采用偏心连 接，以保证结构的截面模量更接近真实结构。 3 、离散单元时，控制尺寸为5 0 - 一6 0 m m ，对于圆角过度、孔 及槽过渡处，适当减少尺寸，以避免单元奇异，影响计算精度。 4 、设备重量以质量单元( m a s s 2 1 ) 施加在安装座面多个结点 上，以尽量接近实际情况，也可减少应力集中，影响计算结果精度。 5 、截面形状复杂的梁，采用任意截面梁。 经过细致的模型模拟和网格划分，糇个车体离散成为一个具有： 单元数目1 4 0 9 4 7 个、结点数目1 4 5 4 9 5 个，其中，s h e j l 6 31 2 5 5 2 2 个、b e a m l 8 85 5 5 5 个、b e a m l 8 96 6 6 4 个、c o m b i n l 44 3 2 个 和m a s s 216 3 6 个的有限元模型，如图：3 1 所示。 第2 4 页菇6 5 页 图3 l内燃动力车车体有限元模型 第2 5 页共6 5 页 西南交通大学研究生学位论文 e 目! e g 目l # e j _ 女g = 自自t # ! 目_ = # 第二节计算载荷、工况、边界条件的确定 一、计算载荷的确定： 根据规范( 暂行) 的要求和本车的实际结构及运用条件，计 算分析时的基本载荷确定为： 垂向静载荷：车体的结构重量按质量分布作用，方向垂直向 下。设备重量作用于安装座面上，方向亦垂赢向下。整备重量附加于 对应的设备重量上。结构重量为1 8 3 5 2 5 吨，整备重量+ 设备重量共 计6 5 1 1 5 2 吨。 垂向动载荷：作用于质量分布处，其值为：垂向静载荷1 3 ， 计算时，取沿重力方向，加速度等于1 3 9 。 纵向载荷i ：车钩的压缩冲击力属于集中力，沿车钩中心高 度纵向作用于前牵引装置的后从板和后牵引装置的安装座位置，其量 值为：1 5 0 0 k n 纵向载荷1 1 ：车钩的牵引冲击力属于集中力，沿车钩中心高 度纵向作用于前牵引装置的前从板和后牵引装置的安装座位置，其值 为：1 2 0 0 k n 纵向载荷h i ：动力车牵引座处沿纵向作用力，方向向前，其 值等于转向架对车体的牵引力，作用于牵引座处。 一个牵引座取值：n ( 轴数) 转向架的轴重x 0 3 ( 粘着系数) 2 = 3x 2 0 10 3 98 1 0 3 2 = 8 8 2 9 0 ( n ) 。 纵向载荷：列车起动时，转向架对车体的瞬间冲击，作用 于牵引座处，方向向前。 取值为：转向架质量3 9 = 2 0 1 0 3 3 9 8 1 = 5 8 8 6 0 0 ( n ) 。 级向载荷v ：司机室前窗下缘高度作用3 0 0 k n 的压力。 抬车工况i ：以动力车一端转向架为支撑点，另端连同转 向架抬起。 抬车工况i i ：使用动力车两端抬车点，将车体连同转向架抬 起。 第2 6 页共6 5 页 塑翼茎鎏奎耋矍耋篁耋堡塞耋 ； 。，。：， 二、计算工况的确定： 根据国际铁路联盟u i c m e r k b l a t t 5 6 6 ( 1 9 9 2 ) 标准、铁道 车辆载荷工况和安全系数、t b t 2 7 3 0 一一1 9 9 6 内燃机车车体技术条 件，并根据实际情况的需要，对车体结构强度的有限元分析采用了 8 个计算工况。 工况1 ：垂向载荷为了计算车体的静载变形，本工况分为两 种情况计算： 垂直静载：( 设备质量十车体结构质量) x g 垂直动载：( 设备质量+ 车体结构质量) 1 3 9 工况2 ：纵向压缩 ( 设备质量+ 车体结构质量) 1 3 9 + 1 5 0 0 k n 纵向压缩 工况3 ：纵向拉伸 ( 设备质量+ 车体结构质量) 1 3 9 + 1 2 0 0 k n 纵向拉伸 工况4 ：起动牵引 ( 设备质量+ 车体结构质量) x g + 转向架质量x 3 9 ( 纵向加速 度) 工况5 ：运行牵引 ( 设备质量+ 车体结构质量) 1 3 9 + ( 设备质量+ 车体结构 质量) x 0 3 9 ( 纵向保有加速度) + 牵引力( 2 3 ( 轴数) x 轴重x 0 3 ( 粘着系数) ) 工况6 ：救援工况 ( 设备重量+ 车体结构重量) 重量+ 二位救援点起吊 工况7 ：抬车工况 ( 设备重量十车体结构重量) 位吊车点起吊 + 一位转向架支承+ 二位转向架 + 一、二位转向架重量+ 一、二 工况8 ：司机室保护工况 司机室前窗下沿作用3 0 0 k n 纵向力 三、边界条件 根据机车运行的实际情况，各计算工况的边界条件确定如下： 第2 7 页共贷页 。塑型坚堡墼型型已一 ! ! _ ! = g 目女z s = ! = = l e = 。；。4 8 4 一 工况l 、2 、3 ：二系弹簧全约束。 工况4 、5 、8 ：二系弹簧全约束，后牵引装置安装座x 方向约 束。 工况6 ：一位旁承座x 、y 、z 方向约束，二位救援点垂向约束。 工况7 ：一位吊车点x 、y 、z 方向约束、二位吊车点垂向约束。 第三节车体强度、刚度的评定标准确定 一、强度理论的选用 根据车体结构的材料和受力情况，考虑到计算的精确性，车体 应力状态评价采用第四强度理论( 形状改变比能理论) 。即： o r ：、垮k 。一盯：) 2 + ( 仃- g 3 ) 2 + p ，一盯t ) 2 j 式中盯，仃】盯2 盯3 分别为当量应力( a n s y s 软件结果 处理的v o m i s e s 应力) 和三个主应力m p a 。 二、许用应力和安全系数的确定 根据国际铁路联盟u i cm e r k b l a t t5 6 6 ( 1 9 9 2 ) 和铁道车辆载荷 工况和安全系数的划定： p 】= 垒 疗 式中：b o s 厅分别为材料的许用应力、屈服极限和安全 系数。 安全系数的选取应根据各种工况来确定，对于正常运用的工况 应选用较大的安全系数；对于不严重的工况，可考虑选用较小的安全 系数；对于偶而出现的较恶劣的工况，可考虑结构不产生永久变形为 度，如：冲击工况下，最大应力值不应超过材料的屈服极限。 再参考资料 2 4 1 ，车体结构的可靠性研究结果为： 孙。丽n 丽- i 第2 8 页共6 5 页 西南交埔大学研究生学位论文 自_ ! 女= g ! g = _ ! e g ! _ = _ 口9 0 口e 自_ = = ， 式中： n安全系数 c s材料强度的变差系数取0 0 5 c 。应力变差系数取0 0 5 取n = 1 5 和1 1 时，z r 一5 5 4 7 和1 3 4 5 3 ，查对应的标准正态函 数分布表，结构的安全可靠度r 分别为0 9 9 9 9 和o 9 1 。 结合本车体的实际情况，对于正常运用的工况，希望可靠度高 一些，选用较大的安全系数；偶而出现的工况