（光学工程专业论文）200kmh+crh2动车组一等座车车体结构强度研究.pdf

e 宝窒适厶堂殛堂位途塞 生塞趟翌 中文摘要 摘要；高速客车车体是高速列车的主要部件之一，与列车的舒适性和安全可 靠性密切楣关，是高速列车的关键技术之一。 本文以四方机车车辆股份有限公司丌发的2 0 0 i ( i n l l c i t h 2 高速动车组一等座车 车体为对象，依据j i se7 1 0 6 规范，采用a n s y s 9 0 有限元软件对车体的静强度、 疲劳强度和刚度进行了分析和评价。结果表明：该车体结构的静强度、疲劳强度 和刚度等指标均满足规范的要求。铝型材的断面设计是铝合会车体设计最关键的 内容之一，本文提出了一种基于车体垂向弯曲模念的简便的铝型材断面刚度设计 方法，在设计初期能直接根据断面形状，推算其垂向弯曲频率。与有限元方法计 算结果对比表明，简化方法具有足够的精度，可直接应用于铝型材车体断面垂向 弯曲刚度设计。结合车体动应力实测数据和有限元应力计算结果，分析了与我国 各典型线路对应的车体垂向动荷系数及车钩载荷情况，编制了车钩载荷谱。 关键词：铝合金车体；结构强度；有限元模型：载荷谱 分类号：u 2 7 0 1 ；u 2 7 0 3 2 丝瘟窒道厶堂篮：差短途塞 旦璺i 坠工 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h eh i 曲s p e e dp a s s e n g e rc a rb o d yi so n eo ft h eh i l g hs p e e dt r a i n s c r i t i c a l p i e c e s ，w h i c hi s o n eo fk e yt e c h n o l o g yw i t hc l o s e l yr e l a t i o nt o t r a i n s c o m f o r t a b l e n e s sa n ds a f e t y t h i sa r t i c l et a k e s2 0 0 k m hc r h 2e m uf i r s t - c l a s ss e a tb o d yw h i c hi sd e s i g n e db y c s rs i f a n gl o c o m o t i v ea n dr o l l i n gs t o c kc o l t d a st h ec o n c r e t ea n a l y s i so b j e c t ， a c c o r d i n gt oj i se 7 1 0 6 ”t h ej a p a n e s er a i l r o a dg e n e r a ls t a n d a r d ”，u s i n ga n s y s 9 0 f i n i t ce l e m e n ts o f t w a r et oa n a l y s ea n de v a l u a t et h i sb o d y ss t a t i ci n t e n s i t y , f a t i g u e s t r e n g t ha n dr i g i d i t y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t ，t h e s t a t i ci n t e n s i t y , f a t i g u es t r e n g t h ， r i g i d i t ya n ds oo na l ls a t i s f i e st h en o r m t h ed e s i g no ft h ec r o s s s e c t i o no f a l u m i n i u m e x t r u d e ds e c t i o n si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n t si na l u m i n i u ma l l o yc a r b o d y s d e s i g n t h i sp a p e rp r o v i d e sad e s i g nm e t h o do ft h ea l u m i n u me x t r u d e ds e c t i o n sb a s e d o nv e r t i c a lb e n d i n gm o d a l i t yo fe a rb o d yt h a tt h ev e r t i c a lb e n d i n gn a t u r a lf r e q u e n c yo f t h e c a rb o d ye a r lb ed e r i v e dd i r e c t l ya c c o r d i n gt o t h ec r o s s s e c t i o n s p h y s i c a l d i m e n s i o n c o m p a r e dw i t ht h er e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h i ss i m p l i f i e d m e t h o dh a se n o u 曲p r e c i s i o n ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt ot h ed e s i g no fv e r t i c a lb e n d i n g r i g i d i t yo fc a r b o d yd i r e c t l y ，c o m b i n i n gb o d yd y n a m i c s t r e s sm e a s u r e dd a t aa n df i n i t e e l e m e n ts t r e s sa n a l y s i so f t h et y p i c a ll i n e ，o b t a i n st h eb o d yd y n a m i cc o e f f i c i e n ta n dt h e v e h i c l eh o o kl o a d i n gc o n d i t i o ni nv a r i o u st y p i c a ll i n e so fo u rc o u n t r ya n dt h e n e s t a b l i s h e st h ev e h i c l eh o o k sl o a ds p e c t r u m k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o yc a r b o d y ；s t r u c t u r es t r e n g t h ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ； l o a ds p e c t r u m c l a s s n o ：u 2 31 ：u 2 6 0 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 高敞 导师签名 签字开期哆7 年f z 月i z i ：i 签字日期：功吖年j ) 月踊 e ! 窑垣厶堂亟翌位诠塞丝剑丝虚咽 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人往导师指导下进行的研究1 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：高j 冤l 签字同期：加口7 年2 , 9 ，z ， 致谢 本论文的工作是在我的导师孙守光教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 模型的建立与有限元分析、数掘测试、论文的编排到最后出稿的整个过程，孙老 师都倾注了大量的心血。孙老师以其精深广博的学识，严谨的治学念度、启发式 的指导方式、宽阔的胸襟和高尚的师德，使我铭记在心并终生受益。同时，孙老 师在同常生活中也给予了我极大的关心和帮助。在此衷心感谢两年多来孙老师对 我的关心和指导。 在论文的研究过程中，还得到了本实验室其他( 她) 老师的关心和指导，缪 龙秀教授、李强教授，谢基龙教授，刘志明教授，任尊松副教授，金新灿博士， 邹骅老师，还有现在远在英国的王文静老师，不仅在学术上而且在生活上给予了 极大的帮助，使本人的论文得以顺利完成，在此本人向他们和实验室的其他( 她) 老师表示衷心的感谢! 同时，本人还得到了尹艳，左丽，徐文正，郑小燕，王丹丹等其他同学的关 心和帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，衷心的感谢多年来支持、关心、帮助我的家人和朋友! 他们的理解和 支持使我能够在学校专心完成我的学业。 b 虫童堑厶：羔亟! ：堂位途童 ! i i 言 1 1 高速铁路发展简史 1 引言 自从1 8 2 5 年世界上第一条铁路建成并通车丌始，铁路逐渐成为了交通运输中 的重要运输方式之一。快速、可靠、舒适、经济和坏保是高速铁路在与其他运输 方式竞争中取胜的先决条件。许多国家都在通过新建或改建既有线，发展高速铁 路。 根掘u i c ( 国际铁路联盟) 的定义，高速铁路是指营运速度达到每小时2 0 0 公里以上的铁路系统。1 9 6 4 年丌通的r 本新干线系统，是历史上第一个实现营运 速度高于时速2 0 0 公罩的高速铁路系统。高速铁路除了在列车营运速度达到一定 标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。高速铁路至少具有三点优势：一是 高速铁路速度快省时间，安全系数高，乘坐空问大，舒适又方便，价格又适宜， 迎合了现代社会出行的需求，因而受到人们的青睐，成为世界各国振兴铁路的有 力手段。二是高速铁路运输系统是铁路大面积吸纳现代高科技成果进行技术创新 的产物。它推动铁路科学技术和装备登上一个崭新的台阶，增强了铁路的竞争力。 三是高速铁路不仅运输能力特别大，有年运输量可达亿人次以上的优势，又有减 少环境污染的优势，因而特别适宜于大运量的城市间、城市群和城郊的高频率运 输。旅行时f 日j 的节约，旅行条件的改善，旅行费用的降低，再加上国际社会对人 们赖以生存的地球环保意识的增强，使得高速铁路在世界范围内呈现出蓬勃发展 的强劲势头，欧洲、北美洲外，大洋洲、亚洲等国家和地区都在计划进一步加快 高速铁路的建设。总之，发展高速铁路是科技进步的必然，是时代发展的需要。 目前世界上高速铁路技术最发达的国家是法国、德国和只本【l l 。 1 2 国内外研究现状 铁路运输发达国家为了适应社会经济发展的需要，从2 0 世纪6 0 年代起相继 大力发展高速铁路，并研制出了多种模式的高速列车，其中比较有代表性的有： r 本的新干线、法国的t g v 和德国的i c e 列车等。近四十年的运营证明：高速 铁路带来了巨大的经济效益和社会效益，缩短了地区之问的运行时i 日j ，大大提高 了运能，充分发挥了铁路的运营潜力，显著提高了铁路同公路运输、航空运输及 水路运输等运输方式的竞争力。为铁路运输业提供了全新的发展平台，推动了铁 b f 窑迪厶鲎熊! ：堂位迨塞 ! i l 盍 路运输业的快速发展。与此同i 砖，高速铁路的发展也成为推动铁路科技事业发展 的强人动力，引发了多项革命性突破，形成了铁路运输业和铁路科技事业相互促 进的良好发展念势。因此，高速铁路既是世界各固铁路来束发展的潮流和必然趋 势，也是铁路领域的主要发展方向和研究对象。随着我国国民经济的飞速发展， 综合国力的空前提高，必然对传统的铁路运输提出新的、更高的要求：即更快的运 输速度、更大的运输能力、更高的安全性和可靠性，而这些恰恰是高速铁路运输 的优势。由此可见，高速铁路在未来个时期内也必将在我国取得大的发展。中 国高速铁路不可能完全照搬任何一国的高速铁路技术体系，我国在发展高速铁路 事业时须有自己的发展策略。应在借鉴国外先进技术的基础上，走自主创新的道 路，建立起适应我国国情需要。具有自主知识产权和技术特色的中国高速铁路技 术体系。只有立足于自我，峰持博采众长，把借鉴、消化、吸收国际上先进、成 熟、可靠的技术与自主创新相结合，才能形成符合我国国情的世界一流高速铁路 技术体系，从而经得起运营的考验和历史的检验。 高速铁路建设是一个涉及多学科领域的系统工程，其中高速客车技术在高速 铁路技术体系中占有十分重要的地位。高速客车车体是高速列车的主要部件之一， 其性能与列车的舒适性和安全可靠性密切相关，因此高速车体技术是高速列车的 关键技术之一。随着我国铁路客运速度的不断提升，对客车车体的深入研究己成 为一项重要的课题1 2j 。 1 3 论文的主要工作 本文首先简要介绍了有限元方法的基本原理、分析方法和在铝合金车体结构 分析中的应用，然后以2 0 0 k m h 等级的c r h 2 高速动车组一等座车车体为具体分析 对象，采用有限元分析软件a n s y s ，依据同本j i se 7 1 0 6 标准，结合列车在实际 运行中可能出现的多种典型工况，如垂向载荷，车端压缩载荷，三点支撑，扭转 载荷，气密载荷等工况，对铝合金车体结构的强度和刚度进行了分析和评估，并 对整车进行了振动模态分析，为消化吸收铝合金车体结构的设计技术提供了依据； 在此基础上，结合c r h 2 高速动车组车体的试验数据，识别了典型线路的车体动荷 系数及车钩载荷情况，编制了车钩载荷谱。本文还给出了一种基于能量方法的车 体一阶垂向整体弯曲模态计算方法，在设计初期能直接根据铝合会车体断面形状， 推算其一阶垂向整体弯曲频率，可十分方便地应用于铝合会型材断面的方案设计。 本文采用的研究方法和主要研究内容如下： ( 1 ) 分析高速客车铝合会车体结构的特点，采用a n s y s 有限元分析软件的 i i f 处理模块建立铝合会车体的几何分析模型； 2 塞童遒厶鲎亟匕望i 硷塞 ! l i 轰 ( 2 ) 采用有限庀分l 听软件a n s y s i1 0 ，依据：年体结构特点，确定即死类型 和与支承方式对应的边界条件，建立高速客乍锃j 合金车体结构的有限元分析模醴。 ( 3 ) 确定各种1 ：况对应的载荷并采用适当的办式在有限元分析模型? 进行加 载，选择有限元软件a n s y s 9 0 进行分析计算：必要时对计算模型进行修改完善， 内容包括：单元类型的选取、单元划分的方式和边界条件的处理方式等： ( 4 ) 依据铝合会车体结构的有限元计算结果和相关设计规范，对c r h 2 高速 动车组车体强度与刚度进行评估，分析结构各主要区域的强度与刚度特性和设计 特点： ( 5 ) 在上述基础上，依据c r h 2 高速动车组车体的试验数据，识别了典型线 路的车体动荷系数及车钩载荷情况，编制了c r h 2 高速动车组车钩载荷谱； ( 6 ) 基于能量法给出了一种计算车体一阶垂向整体弯曲模态的简便方法，可 方便地应用于铝型材车体断面设计。 k i 室道厶鲎亟! ：堂位熊塞2 埋盛堡垒筮蚯生立选 2 1 有限元法简介 2 强度理论分析与方法 有限元法是2 0 世纪6 0 年代起逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一 种数值求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己的 理论基础和求解方法。其一般做法是，对所要求解的力学或物理问题，通过有限 单元的划分将连续体的无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理或用其 它方法将其归结为代数方程组求解。有限元法不仅具有理论体系完整可靠，形式 规范，精度和收敛性能得到保证等优点，而且可根掘问题的性质构造适用的单元， 从而具有广泛的适用范围。随着计算机技术的发展，它己成为涉及力学的科学研 究和工程技术不可或缺的工具p l 。 对于工程技术人员来说，在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程 和边界条件相对容易，但是出于工程实际问题的几何形状，材料特性和外部载荷 的不规则性，要求得解析解一般是很困难的。有限元法把求解区域看作由许多小 的在节点处相互连接的子域( 单元) 构成，其模型给出基本方程的分片( 子域) 近似解。 由于单元( 子域) 可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复 杂的几何形状、材料特性和边界条件。有限元法由于在解决工程技术问题时具有 的灵活性、快速性及有效性，再加上具有成熟的大型软件系统支持，发展非常迅 速。最初有限元法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其求解范围已经包 括了各个领域( 固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场) 的数理方程； 已经成为一种应用范围极广的数值计算方法。 有限元法的基本思想是将一个实际的结构( 弹性连续体) 划分为有限大小的，有 限个数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅 由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单 元划分。有限个的单元称为有限单元，简称单元1 4 j 。 利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型， 对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之| 日j 的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构， 形成整体结构的刚度方程： k u = q( 2 1 ) 式中：k 结构的整体刚度矩阵；i 卜一节点位移列阵；p 节点载荷列阵元 4 韭宝复堕厶堂亟! ：堂位熊塞2 堂廛壅逾坌蚯1 2 直丛 离散后单元节点的设置、性质和数目应根掘问题的性质、描述变形形态的需 要和计算精度而定。一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接 近实际变形，但计算量也越大。由于大多数一i ：程实际问题而苦，当单元划分足够 小时，有限元法不仅能适应复杂形状，而且能够获得足够的计算精度，因而成为 1 。分有效的工程分析手段。 2 2 有限元建模仿真 有限元建模的具体内容包括给出结点的坐标，单元的形式，物理的和材料的 特性，载荷和边界条件等，一般以结构的位移作为未知量来建立数学模型。对于 给定的问题，求解的准确性取决于结构建模，载荷和边界条件的确定，以及所用 单元的精度。一般来讲，模型的单元细分得越小，求解将越准确。单元类型的选 择、不同区域中网格的细分方式、载荷和边界条件的证确处理对于保证有限元法 取得可靠的计算结果是十分重要的。 1 节点节点是在三维空日j 中连接单元的坐标点。在它之上施加载荷，施加 边界约束，计算出位移数据。每个结点自由度的多少取决于连接在这个结点上单 元的类型。 2 单元单元类型的选择是有限元建模过程中的一个重要问题。大多数有限 元软件包括一个可供选择的单元库。最常用的单元族有：杆单元、梁单元、板壳 单元、实体单元等等。选取单元时应注意：避免使用畸变单元，避免相邻单元大小 相差太大；避免使用大纵横比单元( 长边被短边所除的比) ：避免角度超过9 0 的单 元；在预想的高应力区应使用较小的单元；所选的单元应能够适应问题的几何特 性曲线：解算集应能容纳所选的单元类型；不同类型的单元应恰当连接。有限元 网格划分、单元类型选择和材料性质描述的不准确性都会影响有限元法计算结果 的正确性。 3 网格划分操作分2 个步骤：第一步确定单元的大小和类型参数，以及定 义在结构上的特殊边、面或体积上的其它属性；第二步在几何实体上建立网格。 有时仅须在一个引入的横截面上建立网格，从而将3 维模型简化为2 维模型。采 用实体模型提取法，抑制和删除一些对分析问题影响不大的特征，以提高建模和 计算效率。 有限元分析( f e a ) 是一种预测结构的位移与应力影响的过程，有限元建模 ( f e m ) 将这个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型，每个单元具有简单形 念( 如四边形或三角形) 。这样有限元程序就可写出在刚度矩阵结构中控制方程的 信息。每个单元上的未知量是在结点上的位移，这个点就是单元的连接点。有限 丝盛窒堑厶翌噬! ：堂位诠塞 2 凰厦理迨筮短当左选 元程序将这些单个单元的刚度矩阵组合起来形成整个结构的总刚度矩阵，并给予 己知力和边界条件来求解陔刚度矩阵以得出未知位移，从结点上位移的变化计算 出每个单元中的应力。 2 3a n s y s 中的c a e a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元 分析软件，能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ， n a s t r a n ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一p 】 a n s y s 软件拥有当今业界领先的c a e 静后处理技术，软件主要包括三个部分：i j f 处 理模块( p r e p r o c e s s i o n ) ，求解模块( s o l u t i o n ) ，后处理模块 ( p o s t p r o c e s s i o n ) 。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具， 用户可以方便地构造有限元模型；求解模块包括结构分析( 可进行线性分析、非 线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电 分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分 析及优化分析能力：后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢 量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供 了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不 同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如p c ，s g i ，h p ， s u n ，d e c ，i b m ，c r a y 等。目6 口最薪版本为a n s y s l1 0 版。 a n s y s 的基本功能( 与车体结构分析相关的) 包括结构静力学分析、结构动力学 分析和结构非线性分析等： ( 1 ) 结构静力学分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。a n s y s 程序中的 静力分析不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、大 应变、大变形及接触分析。 ( 2 ) 结构动力学分析：结构动力学用来求解随时问变化的载荷对结构或部件的 影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时问变化的力载荷以及阻尼和惯性的 影响。a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬间动力学分析、模态分析、谐 波响应分析及随机振动响应分析。 ( 3 ) 结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变 化。a n s y s 程序可求解静态和瞬问非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和 单元非线性材料3 种。 6 匙盛窒堑厶= ；三鲤匕堂位熊塞 2 堂埕鲤逾筮蚯当左选 ( 4 ) 动力学分析：a n s y s 可以分析人犁i 维柔体运动。当i 刍动的积累影响起主 要作用时，可使用动力学分析柬分析复杂的物体在空i 日j 中的运动特性，并确定结 构中由此产化的应力、应变和变形| 5 i 。 2 4 本章小结 本章简要介绍了有限元法的基本概念、基本思想和基本方法，以及大型通用 有限元分析软件a n s y s 的组成及其基本功能。重点介绍了采用有限元法进行结构 分析时应注意的一些技术问题。 e 塞窑堑厶：j ! 丝! ：坐位绘塞3 鲻盒金盔芏士佳生芏也丛坦丝筮蚯 3 铝合金客车车体特点及强度分析 3 1 铝合金客车车体设计 用铝合会制造车体的尝试早在2 0 世纪上半期就已经丌始，最早用于地铁和市 郊列车，后来应用于普通列车上。早期的铝合会车体类似碳钢车体的组焊结构， 采用小型化型材；与钢结构车体相比，增大了工艺制造难度1 6 】。近年来，特别是 进入2 0 世纪9 0 年代，由于通长的多品种异型截面以及大截面空腹铝合会挤压型 材的出现，铝合会已成为生产高速客车车体的主导材料。高速客车车体采用大型、 中空、薄壁的铝合金挤压型材，配合以纵向大规模自动焊接工艺，提高了质量和 生产效率。 铝合金型材车体的优势可综合为以下几点： 1 ) 适合规模化生产铝合金具有良好的挤压成型特性，可以根据车体结构优 化设计的要求，挤出各种复杂形状的铝型材，其宽度可达6 0 0 m m - - 8 0 0 r a m ，长度 可达3 0 m 。大型中空挤压铝型材的应用，可大幅度减少焊接量，车体组装工作量 比钢质车体减少很多【7 1 。 2 ) 减重效果好用大型挤压铝型材组装的车辆出于型材为薄壁、中空，又减 少了很多横向构件，板材为带筋板材，使铝合会车体重量显著降低。钢制车辆、 不锈钢车辆，铝合金车辆车体的重量比达到了1 0 ：7 ：5 左右。 3 ) 良好的运行品质铝合会车辆自重小，节省牵引的能量消耗，提高了加速 性能，可降低制动功率，动力性能改善，舒适性提高，噪声降低，且具有良好的 密封性。 4 ) 耐腐蚀，维修费降低铝合金具有良好的耐腐蚀性，从而延长了客车的使 用寿命，减轻了检修工作量 l 。 此外铝合金车体还具有外表平滑美观的优点。 3 1 1 材料介绍 高速列车铝合金车体材料主要有5 0 0 0 系、6 0 0 0 系和7 0 0 0 系，我国c r h z 动 车组车体主要采用了5 0 0 0 系铝合会的5 0 8 3 、6 0 0 0 系铝合金的6 n 0 1 、7 0 0 0 系铝 合金的7 n 0 1 等。这些铝合会的主要机械性能见表3 一l 。 8 e 赢銮塑厶堂熊! ：芏位垃塞3 翅盒金盔王王往挂直丛世坦坌圭匠 表3 一t 铝合金材料土要机械性能 f o r m 3 1m a i nm e c h a n i c a lc h a r a c t e ro f a l u m i n u ma l l o ym a t e r i a l 纵弹性泊 弹性极限( m p a )疲劳强度( m p a ) 材料名 蜜 松 基料焊接墓料焊接 ( m p a ) 比 部分部分部分部分 a 5 0 8 3 p o6 9o 31 2 51 2 51 0 33 9 a 6 n 0 l s - t 56 9o 3 2 0 51 2 0 7 83 9 a 7 n o l p - 1 4 6 9 0 3 1 9 5 1 7 6 1 3 53 9 a 7 n 0 l s j t 56 9o 32 4 52 0 51 1 93 9 以上部分铝合金材料的技术特征如下： ( 1 ) 5 0 8 3 是焊接结构用铝合金，是非热处理合金中强度最大的高耐腐蚀性 合金，适合于焊接结构。但挤压加工性较差，难以得到薄壁及中空型材。 ( 2 ) 6 n 0 1 是中等强度的耐腐蚀性铝合金，挤压加工性、加压淬火性均比较 优良，能制造出复杂形状的大型薄壁型材，且耐腐蚀性，焊接性较好。 ( 3 ) 7 n 0 1 也是焊接结构用铝合金，其强度高，并且通过常温时效处理，焊 接部分的强度能够恢复到接近于母材的强度，耐腐蚀性好。 3 1 2 车体承载结构特点 车体承受着作用其上的不同方向和不同性质的载荷。这些载荷包括垂向静动 载荷、侧向力、纵向冲击和制动力及由此产生的纵向惯性力、扭转载荷和垂向斜 对称载荷等。通常就铁道车辆而言，其车体承载形式有三种，即底架承载结构、 侧壁承载结构和筒形整体承载结构。底架承载结构即载荷全部由底架来承担的车 体结构。侧壁承载结构即全部载荷由侧、端壁及底架共同来承担的车体结构。筒 形整体承载结构是指将底架、侧壁、端壁及车顶牢固地组成为一整体，成为开口 或闭口的箱形结构，此时车体各个部分均能承受载荷的车体结构。前两种承载结 构主要应用于货车车体结构。现代客车车体采用的均是筒形整体承载结构。其最 大特点是增强了车体承载能力、减轻了车体自重、降低能耗、减少运行成本和维 护成本等。 由于车体需要承受旅客的重量和各种设备的重量，以及列车在运行过程中的 纵向、横向、垂向和扭转等载荷，所以车体需有足够的强度和刚度。高速列车车 体采用铝合会筒形整体承载结构，在满足车体结构轻量化的同时，能够达到必要 的强度和刚度。早期的筒形铝合金车体类似碳钢车体的组焊结构，采用小型化型 材，与钢结构车体相比，增大了工艺制造难度。但近年来车体大量采用大型、中 9 i 鏖盆塑厶：羔亟翌i 星监塞3 丛盒金盔互王馇挂点廑型坦坌丝i 空、薄壁的铝合会挤压型材，实现了纵向大幅度e 1 动焊接： 艺，提高了质量和，e 产效率，在高速列车车体上得到了广泛应用。 3 i 3 铝合金客车车体结构及主要技术参数 铝合会具有良好的塑性，挤压成形容易，可以根掘苇体结构优化设计的要求， 挤出各种复杂形状的铝型材，特别是大型中空挤压型材的应用，可以大幅度减少 焊接工作量，简化车体的制造工艺，如图3 1 a 所示。 幽3 一l a 人型中仝挤hj 材断曲 f i g 3 一l at h ec r o s s - s e c t i o no f l a r g e - s c a l em i d h e a v e ne x t r u d i n gs e c t i o nm a t e r i a l c r h 2 中间车中的一等座车底架由牵引梁、枕梁、边梁、端梁、横梁和波纹 地板等组成，见图3 一l a 。边梁采用通长铝合金挤压型材拼焊而成，是位于底架地 板下左右两侧的纵向梁、底架与侧墙连接成简体的关键部件。牵引梁主要由铝合 金挤压型材和铝合金板焊接而成，连接车体底架端梁和枕梁，并为车钩缓冲装置 设置相应的附加结构。枕粱由铝合金挤压型材和铝板焊接而成，支撑车体载荷。 端梁也是由铝合金挤压型材和铝合金板焊接而成。横梁采用铝合余挤压型材，位 于底架地板下方，支承安装在地板下的设备和支承地板，并连接左右两边梁。底 架波纹地板由通长的挤压铝型材通过m i g 自动焊焊接而成，为增强地板的纵向强 度，在纵向设置了加强筋结构。 侧墙、车项均采用大型中空挤压型材，车顶和侧墙的连接采用车内侧、车外 侧连续焊接结构。分体式端墙结构的外板中央开口处用螺栓安装由铝板和铝型材 骨架组焊而成的闭塞板。 i o 些鏖窑遒厶笠亟! ：翌位迨塞2 塑盒金盔王生盐盐出缝丛埕筮逝 图3 一i b 枕粱 f 噜3 l bs l e e p e rb e a m 图3 1 d 乍前位端端墙 f i g 3 一l dt h ef r o n t - e n dw a l l 车辆主要技术参数如下： 轴重 商业运营速度 车辆长度 转向架中心距 车辆宽度 车辆高度 地板面距轨面高度 车钩距轨面高度 车体自重 幽3 1 c 边粱侧墒地板及地板加强筋 f i g 3 一i cb o u n d a r yb e a ms i d e w a l l f l o o r b o a r da n dr i br e i n f o r c e m e n t 图3 1 e 车后位端端墙 f i g 3 一l et h ea f t e re n dw a l l 恤 m 砌 m m m m 妞吣吣嘶岫咖咖n南：溉耄|酬|霎霎|霎删 韭盛窒遁厶堂亟! ：鲎位淦塞! 丛金金盔士王住拉盥丝堂毽坌圭匠 3 2 结构分析与强度计算 3 2 1 结构的有限元分析模型及单元划分 采用实体单元和板壳单元对结构进行离散，全车的有限元模型如图3 2 和图 3 3 所示 幽3 - 2 下体结构有限元模犁( a )圈3 - 3 乍体结构有限元模硒( b ) f i g 3 - 2 a b o d ys t r u c t u r e f i n i t ee l e m e n t m o d e l ( a ) f i g 3 3 b o d ys t r u c t u r e f i n i t ee l e m e n t m o d e l ( b ) 模型统计数据列于下表3 - 2 。 表3 - 2 整乍模型单元类型与尺寸统计数据 八节点 弹簧元 单元类型四霄点壳单元s h e l l 6 3实体单元 c o m b i n l 4 s o l i d 4 5 单元数3 1 3 6 4 92 6 9 31 0 8 结点数 2 4 4 6 7 0 解算器 f f e 单元特点说明：s h e l l 6 3 弹性壳单元既可以承受平面内荷载也可以承受法向 荷载，每个节点具有6 个自由度，即沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动和沿节 点坐标系x 、y 、z 轴的转动；s o l i d 4 5 单元用于三维实体结构模型，单元包含8 个节点，每个节点有x 、y 、z 共3 个方向的自由度；c o m b i n l 4 为弹簧一阻尼单 元，本文采用的是一维拉伸或压缩单元。 3 2 2 基本载荷及计算工况 根据车体设计参数，由j i se 7 1 0 6 标准确定各计算工况的载荷。 2 ：! 竖! i ! 塞迪厶堂亟：羔位逾望三篮l 佥金盔王至签圭芏点丝丛廛坌蚯 3 2 2 1 垂向载荷 车体重量w 为2 8 2 k n ，其它垂向载荷分以下四种情况： ( a ) 垂向载荷( 6 0 k g 人) 乘客重量取6 0 k g 人，最大乘客数取1 5 2 人( 基于j i se 7 1 0 6 标准，见图3 4 ) ， i j - 豁一”ji 辱”譬薯了j ：，暴i ，虿j j ；习许擒”衙= = 囊囊1 ，ti “。“。节。r ! 一l ”：懑融 。z 匿1 察鞲通辆f 霪 i 鼋，哥 量二二 一= 一一。 鬻蘧，j 鲤 一 u - - e 蘑兽0 童辖二二一鼻毒= 二一溜壤，溪! 葛帮i 叫l q | m i ； q “ l ! | ”，且吲二t 地板面积= 2 0 tm 2站席乘客数= 2 0 1m 2 ( 0 2m 2 人) = 1 0 1 人 定员：5 1 人 图3 4 车体最大乘客数计算 f i g 3 _ 4t h ec o m p u t a t i o no ft h em a x i m a lp a s s e n g e rn u m b e ri nc a r b o d y 施加在地板上的均布载荷为： w = ( 车体重量+ 最大乘客重量) 1 1 = 4 4 1 k n 载荷和约束施加方式如图3 5 所示， 图3 - 5 垂向载荷( 6 0 k g a ) 加载方式 f i g 3 - 5l o a d i n gw a yo f v e r t i c a ll o a d ( 6 0 k g p e r s o n ) ( b ) 垂向载荷( 8 0 k g 人) 乘客重量取8 0 k e g 人，最大乘客数取1 5 2 人_ ( 基于j i s e 7 1 0 6 标准) ，施加在 地板上的均布载荷为： w = ( 车体重量+ 最大乘客重量) 1 1 = 4 7 4 k n 载荷和约束施加方式如图3 - 6 所示。 、 ， = 出塞窒适厶堂亟上：堂位：淦；塞三堡金金壅生鱼：盐生芏直拯缝廛坌堑i w = ：f ft i ：f 4 ；照鼹+ 鼓人乘客露鼹) 1 1 j i _ - - i - _ l _ _ _ l - _ l 一_ ；_ _ l 二竺-剀 图3 - 6 垂向载荷( 8 0 k g x ) 加载方式 f i g 3 6l o a d i n gw a yo fv e r t i c a ll o a d ( 8 0 k g p e r s o n ) ( c ) 垂向载荷( 6 0 k g 人，并考虑机器设备集中载荷) 乘客重量取6 0 k g a ，最大乘客数取1 5 2 人( 基于j i s e 7 1 0 6 标准，见图3 4 ) 机器设备集中质量主要考虑辅助电源装置系统质量，其位置如图3 7 所示， 图3 7 机器集中载荷( 载荷是指对横梁螺栓固定部位施加的负荷) f i g 3 7t h em a c h i n ec o n c e n t r a t e dl o a d i n g ( 1 0 a d i n gi st or e f e rt ot h el o a dt h a tf i x e dl o c a t i o ne x e r t st oc r o s s b e a mb o l t ) 重量w u 取18 6k n ，则施加在地板上的均布载荷为： w = ( 车体重量+ 最大乘客重量一w u ) 1 1 = 4 2 2k n 机器设备载荷w u 施加在底架横梁螺栓固定部位，均布载荷和设备集中载荷 及其约束施加方式如图3 8 所示。 w = i ( 车体重凝+ 最大乘客熏裁- w u ) x 1 i l - l _ - i _ _ li _ _ l _ il _ l _ _ u 、1 。u l 17 5 0 0 、j i _ l - w u ( 虮器集中载旖) 1 图3 - 8 垂向载荷( 6 0 k g 人，考虑机器设备集中载荷) 加载方式 f i g 3 8l o a d i n gw a yo fv e r t i c a ll o a d ( 6 0 k g p e r s o n ，t h i n k i n go f m a c h i n e r ye q u i p m e n tc o n c e n t r a t e dl o a d i n g ) 1 4 = ! e 盛垒堑厶翌亟! ：竺垃监塞笪；佥垒盔j ：j i 丝盐直丛堙厦壁i ( d ) 垂向载荷( 8 0 k g 人。并考虑机器设备集中载荷) 乘客重量取8 0 k g 人，最大乘客数取1 5 2 人( 基于j i s e 7 1 0 6 标准，见图3 - 9 ) ， 则旋加在地板i 二的均钿载荷为： w = 车体重量+ 最大乘客重量w u ) 1 1 = 4 5 5 k n 机器设备载荷w u 施加在底架横粱螺栓固定部位，均竹j 载衙和设备集中载荷 及其约束施加方式如图3 - 9 所示。 w = ff 唯：俸嚣鞋+ 致人乘客醺最- 、v l i ) x 1 1 l _ ll l i - lli - _ _ - li - l - u 凸幽一 i ， 17 5 0 0 j w u ( e l 器煲中鞭衙) 1 图3 - 9 垂向载荷( 8 0 k g 人，考虑机器设备集中载荷) 加载方式 f i g 3 - 9l o a d i n gw a yo f v e r t i c a ll o a d ( 8 0 k g p e r s o n , t h i n k m g o f m a c h i n e r y e q u i p m e n t c o n c e n t r a t e dl o a d i n g ) 3 2 2 2 车端压缩载荷 车端压缩载荷f 取9 8 0 k n ，载荷和约束施加方式如图3 1 0 所示。 f ： 幽3 ，l o 车端月i 缩载荷加载方式 f i g _ 3 - 1 0l o a d i n gw a yo f c a r b o d ye n dc o m p r e s s i n gl o a d 3 2 2 3 三点支撑 在车体底架抬车位置施j j n - - 点支撑载荷方式，即在抬车位置旌加垂向约束， 在车体地板施加均布载荷w = 3 1 2 k n ，施加方式如图3 1 1 所示。 e 塞窑迤厶翌熊! ：堂位盈塞 3 篮金垒盔j ：，l 垒越出缝堡廛盆蜓 ! r 一 一盯j 一一卜ii i 一r 一一j 。rf l：圈： i 卜a卜b l ：! 竺，i 卜b 幽3 - 1 1 二点支撑加载方式 f i g 3 11l o a d i n gw a yo f t h r e e - p o n ts u p p o r tl o a d 陋叫 断而r r 3 2 2 4 扭转载荷 扭转载荷t 取3 9 k n m ，载荷和约束施加方式如图3 一1 2 所示。 k - ak b 巨：一! 竺一一卜b b 叫叫f _ 断葡8 b 幽3 1 2 手h 转载荷加载方式 f i g 3 1 2l o a d i n gw a yo f t o r s i o n a ls t i f f n e s sg r a p hl o a d 3 2 2 5 气密载荷 气密载荷取8 0k p a ，载荷施加方式如图3 1 3 所示。 1 6 1lll，j i z a 【，z ：冒，甲_曰 i 断 卫 ，田一印 e 盛玺堑厶：兰熊翌位盈塞3 壁i 盘金盔ij ；缝盐忘厦塑度岔逝 幽3 。1 3 气密载荷加载方式 f i g 3 1 3l o a d i n gw a yo f g a ss e a ll o a d 3 2 3 载荷和约束设置 根掘车体受力情况，在模型中施加相应的垂向、横向及纵向位移约束，模型 中坐标轴的方向为：车体纵向为x 轴，横向为y 轴，垂向为z 轴。 计算工况1 ：车体重量( 不考虑设备集中载荷) 和乘客重量均布在车体底架 地板上，在4 个二系悬挂支撑位置施加约束条件。 计算工况2 ：车端压缩载荷，包括车体重量和9 8 0 k n 的车端压缩载荷。车体 重量均布在车体底架地板上，而车端压缩载荷作用在车体一端的牵引梁部位。此 时，在4 个二系悬挂支撑位置施加约束条件，在非加载端的牵引梁部位施加约束 条件。 计算工况3 ：三点支撑，考虑垂向载荷为车体重量，任选车体4 个抬车位中 的三个点施加约束条件。 计算工况4 ：扭转载荷，考虑3 9 k n m 的扭转载荷，作用在车体一端的二系悬 挂点上，在非加载端的二系悬挂支撑点位置施加约束条件。 计算工况5 ：气密载荷，考虑车体内外气压差为8k p a ，在