（光学工程专业论文）动车组车体强度设计规范的研究.pdf

中文摘要 摘要：标准化是一项综合性的技术基础工作，是组织现代化生产和进行贸易的技 术准则，是科学管理的重要组成部分。随着我国高速铁路的发展，时速2 0 0 公里 及以上速度级动车组技术的引进，铁路标准化在加快铁路装备现代化和装备制造 业现代化的进程上起到越来越重要的作用。目前我国动车组车体结构强度设计主 要是参照国外的相关规范，尽管这类规范对我国动车组车体设计起到了促进作用， 但由于各国实际运营及线路情况存在一定的差距性，使得设计中难免存在一些不 完善的因素。因此以国外设计规范为基础，制定出符合我国国情的动车组设计规 范具有重大意义。 本文以c r h 5 的头车作为模型车，并对模型的正确性进行了验证。通过对比 分析欧洲高速客车车身结构要求标准e n l 2 6 6 3 、日本高速客车车体设计通则j i s e 7 10 6 以及我国( ( 2 0 0k m h 及以上速度级铁道车辆强度设计实验鉴定暂行规定之 间的异同，并对不同标准规定的纵向载荷工况、垂向载荷工况、纵向与垂向载荷 组合工况、空气动力载荷工况进行计算分析，初步给出了我国动车组车体强度设 计规范的建议。 关键词：设计规范；动车组；结构强度；有限元 分类号： j 匕京銮适太堂亟堂僮论塞 垦墨! 曼! a bs t r a c t a b s t r a c t ：s t a n d a r d i z a t i o ni sac o m p r e h e n s i v et e c h n i c a lb a s a lw o r k i ti sag u i d e l i n e t oo r g a n i z em o d e mp r o d u c t i o na n dt r a d e ，a n da ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fs c i e n t i f i c m a n a g e m e n t w i t h t h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dr a i l w a yi nc h i n a ，a n dt h e i n t r o d u c t i o no f2 0 0 k m ha n dh i g h e rs p e e dt r a i n ，r a i l w a ys t a n d a r d i z a t i o np l a y sa n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e i ns p e e d i n gu pt h e m o d e r n i z a t i o np r o c e s si nr a i l w a y e q u i p m e n ta n dt h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y p r e s e n t l y , c h i n e s ee m ub o d y s t r u c t u r es t r e n g t hd e s i g nm a i n l yr e f e r e n c e st ot h er e l e v a n tf o r e i g nn o r m s ，w h i c hh a s p l a y e dac a t a l y t i cr o l eo ne m ud e s i g no fo u rc o u n t r y h o w e v e r , c e r t a i ng a p sb e t w e e n t h ea c t u a lo p e r a t i o n s1 i n ea n dt h er o a ds i t u a t i o nm a k et h ed e s i g ne x i s ts o m ei m p e r f e c t f a c t o r s t h e r e f o r e ，b a s e do nf o r e i g nd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s ，d e v e l o p i n ge m ud e s i g n s p e c i f i c a t i o n si na c c o r d a n c ew i t hc h i n e s en a t i o n a lc o n d i t i o n si sg r e a ts i g n i f i c a n t t h ep a p e rc h o o s e st h eh e a db o d yo ft h ec r h 5a sam o d e l ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h e m o d e li sv e r i f i e d b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gc a rb o d yd e s i g ns t a n d a r de n12 6 6 3 ， u i c 5 6 6 ，j i se 7 i0 6a n d “s t r e n g t hd e s i g n t e s t a p p r a i s a lt e m p o r a r ys t i p u l a t i o n f o r 2 0 0 k m ha n dh i g h e rs p e e dg a i n ，t h ep a p e rc a l c u l a t e sa n da n a l y z e st h em o d e lc a ri n d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fl o n g i t u d i n a ll o a d ，v e r t i c a ll o a d ，l o n g i 【t u d i n a la n dv e r t i c a ll o a d c o m b i n a t i o nc a s e ，a n da e r o d y n a m i cl o a d a c c o r d i n gt ot h ea b o v en o r m s ，t h ep a p e r i n i t i a l l yg i v e ss o m ea d v i c eo nt h ec a rb o d ys t r e n g t hd e s i g ns t a n d a r do f e m u k e y w o r d s ：d e s i g ns t a n d a r d ；e m u ；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 t c i a s s n o ： 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据库进行检索， 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： 芗留豸 签字日期：妒7 年石月，铲日 导师签名： 禾| 3 喁 婵嗍：砂严刖户f 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：害畏博 签字日期：沙汐7 年多月f 于日 5 7 致谢 本文的研究工作是在导师宋永增副教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 方案的设计直至论文的完成，导师都给予作者极大的支持和鼓励。宋老师严谨、 务实、灵活的工作作风以及严于律己、宽以待人的道德修养使作者受益匪浅，在 此对韩老师两年多来的辛勤培养表示衷心的感谢。 在课题研究过程中，还得到谢基龙教授的帮助和指导，对于我的科研工作和 论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，师兄吴仁恩、师姐曹玲玲以及郭乃文、王亲 敏、张福全等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 感谢含辛茹苦把我养大的父母，是他们在物质上和精神上一直默默支持我， 让我顺利完成学业。 1 1 课题研究背景 1 1 1 世界高速铁路的发展 1 绪论 世界各国都在为交通运输面临的石油短缺、环境污染、事故多发等“三大难 题”而深感忧虑。而高速铁路以其速度快、运能大、耗能低、污染小、占地少和 安全性好等一系列突出的技术经济优势，引起了世界各国的重视。自1 8 2 5 年世界 上第一条铁路诞生，一百多年来，世界各国重视铁路研究工作的专家、学者，始 终在为提高列车的行车速度作不懈的努力。1 9 6 4 年日本首次成功开行高速动车组 以来，世界各国争相规划和建设高速铁路。如今，法国、德国、瑞典、意大利、 西班牙、英国、韩国等国家已经成功开行了高速动车组，为经济发展做出了贡献。 可以说高速铁路是用现代高新技术改造传统产业的典范，它使铁路运输事业重新 焕发了青春。 自1 9 6 4 年日本建成第一条高速铁路以来，铁路焕发了新的生机，至今世界上 经历了高速铁路建设的三次热潮【1 1 。 初期的高速铁路建设高潮： 1 9 6 4 年至1 9 9 0 年是世界上高速铁路发展的最初阶段。在这期间建设并投入运 营的高速铁路有日本的新干线，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。 9 0 年代初高速铁路网建设的第二次高潮： 第二次建设高峰于9 0 年代在欧洲形成，所波及到的国家主要有法国、德国、 意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典和英国等国家。 9 0 年代中期形成第三次高潮： 这次高潮波及到亚洲、北美、澳洲以及整个欧洲，形成了交通领域中铁路的 一场复兴运动。自1 9 9 2 年以来，俄罗斯、韩国、我国台湾省、澳大利亚、英国、 荷兰等国家和地区均先后开始了高速铁路的建设。 1 1 2 我国高铁的发展状况 与时代同步，中国铁路发展进入快车道。2 0 世纪8 0 年代末，中国铁路已将高 速化提上了议事日程：9 0 年代初，建成了国内第一条准高速铁路：广深准高速铁 路：1 9 9 7 年1 0 0 0 年三次大规模在既有线实行提速，三大干线( 京广、京沪、京 哈) 最高运行速度达1 6 0k m h l2 0 0 1 年和2 0 0 4 年又两次大规模提速，此时时速 2 0 0 公里的线路里程达1 9 6 0 公里。2 0 0 7 年4 月1 8 日实施了铁路第六次大提速， 我国研制的高速动车组也正式投入运营，铁路客运速度已经达到2 0 0 k m h ，今后的 客运速度还将进一步提高，这标志着我国已经进入高速铁路国家的行列。 虽然我国高速铁路发展取得了很大进步，但是与世界先进水平相比还有很大 的差距，还不能满足经济社会发展的要求，因此有必要加快我国铁路提速的步伐。 进十几年来，我国车辆部门吸收了大量国外先进技术，通过系统合作和国际合作 研究高速列车，引进时速2 0 0 公罩铁路客车动车组技术，加快铁路装备现代化和 装备制造业现代化的进程，促进我国车辆企业的自主创新和打造中国品牌的动车 细。 1 2 课题研究意义 我国铁路事业经过多年的努力，取得了长足的进步，但是目前铁路运输能力 与运输需求的矛盾仍然十分突出，成为经济社会发展的瓶颈，因而必须扩大铁路 运输能力，缓解铁路运输瓶颈制约。这主要可以从以下两方面来解决该状况：一 方面要加快新线建设，不断增加运营线路，另一方面要采用技术先进、质量稳定、 安全可靠的机车车辆装备，提高列车运行速度。 通过引进、消化、吸收国外先进技术，我国机车车辆装备工业的制造水平有 了明显的提高，但是与发达国家相比还有明显的差距。为此，铁路部门一方面加 大对国内客车动车组产品开发的支持力度；另一方面，通过向国内企业招标的方 式，以国内企业为主，引进时速2 0 0 k r n h 动车组技术，尽快提升机车车辆装备水 平。这为加快我国机车车辆工业的发展提供了有力的技术平台，有利于促进我国 机车车辆企业的自主创新和打造中国品牌的时速2 0 0 k m h 动车组。对于引进的国 外先进动车组技术，如何吸收国外先进技术并融入我国自主动车组设计之中，并 加以创新才是重中之重【2 】。 我国在动车组关键技术预研究阶段，结构强度设计和试验标准滞后于机车车 辆技术发展。要设计出自己的动车组，打造自己的品牌，首先就要有相应的设计 规范及评定标准。动车组在我国尚处于研究阶段，还没有设计规范。而国外的高 速列车的设计计算规范是在其自身的国情和工业水平下制定的，有其特殊性和习 惯的延续性。长期以来，我国对普通速度运行车辆的车体结构设计只注重静态设 计，即经过静力分析和静强度试验，符合铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 2 ( t b 1 3 3 5 1 9 9 6 ) 的有关条款就可被检验通过。目前我国的动车组车体的设计计算 准则是参照国外的有关规范，显然，这对我国2 0 0 k m h 动车组设计来说是不够的， 因此，制定出符合我国实际运营情况及线路情况的合理的动车组设计规范是非常 有必要的。 1 3 论文的主要内容 本论文的主要目的是通过对比分析欧洲高速客车车身结构要求标准 e n l 2 6 6 3 、同本高速客车车体设计通则j i se 7 1 0 6 以及我国( ( 2 0 0k m h 及以上速度 级铁道车辆强度设计实验鉴定暂行规定之间的异同与各标准规定的载荷工况下 c r h 5 列车头车的强度计算结果，提出关于我国动车组车体强度设计规范的建议。 论文的主要内容包括： 1 c r h 5 动车组头车有限元模型的建立及正确性验证 首先介绍了有限元方法及其分析软件a n s y s ，接着在分析c r h 5 头车的车体 结构和主要技术参数的基础上，应用a n s y s 软件建立合理的结构计算模型。并通 过计算作用在车钩水平位置上的压缩载荷1 5 0 0k n 与垂向载荷( 工作状态下) 这 一组合工况，将其计算结果与模型原型车的厂商提供的计算报告对比来验证模型 的正确性。 2 各国车体设计的主要标准规范 介绍了我国( ( 2 0 0 k r n h 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定、 欧洲车体设计标准e n l 2 6 6 3 、国际铁路联盟规程u i c 5 6 6 以及日本铁道车辆客车车 体设计通则j i se 7 1 0 6 的演变过程、应用范围以及制定的参考依据等，重点介绍了 e n l 2 6 6 3 、j i se 7 1 0 6 以及我国( 2 0 0 k m h 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验 鉴定暂行规定的具体设计载荷工况。 3 欧洲标准e n l 2 6 6 3 、日本工业标准j i se 7 1 0 6 以及我国( ( 2 0 0 k m h 及以上速 度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定之间的对比计算分析 比较了各个标准在纵向载荷工况、垂向载荷工况、纵向与垂向载荷组合工况、 空气动力载荷、扭转载荷这几种载荷工况方面规定的差别，并分析了产生差别的 原因，在此基础上得出一些我国动车组车体强度设计的建议。 3 2 有限元模型的建立 2 1 有限元法的基本理论及有限元分析软件简介 “有限元法 这一名词是1 9 6 0 年美国的c l o u g hrw 在一篇名为“平面应力 分析的有限元法”论文中首先使用的。迄今为止，有限元法除了发展其自身的理 论和方法外，还外延到其他领域，如随机有限元法等。由于计算机的飞速发展， 使得有限元法已广泛应用于铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车、交通、 造船、轻工日用家电等工业和科学研究领域。 2 1 1 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，是一种求解微 分方程边值问题的强有力的数值方法，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是一种有效的方法。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 法发展到今天，已较为完善，被认为是工程分析中最强有力而且最通用的一种计 算方法，因其实践性强而具有强大的生命力。利用有限元进行结构分析，实质上 是一种“电子计算机的数值实验 。它不仅使过去进行运算的课题获得了数值解， 还逐步代替了某些成本高、时问长的常规实验。 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，然后根据结点的变形协调 和力的平衡条件将这些单元重新组合在一起，由此建立一组以结点位移为未知量 并反映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。一个复杂的结构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【3 1 。 4 2 1 2 有限元分析的主要步骤 1 结构离散 将某个工程结构离散为由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结起来，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、单元大小要有 过渡，避免大小悬殊的单元相邻。 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。一般多项式的 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，因此它也决定了相应的位移插值函数，其矩阵形式为 n = m 田p( 2 1 ) 式中 ) 为单元内任一点的位移列阵；舻) 8 为单元的节点位移列阵； n 称为 形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 从这里可以看出，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 ) 导出用节点位移表示单元应变的关系式： p ) = b 艿) 8( 2 2 ) 式中p ) 是单元内任一点的应变列阵， b 】称为单元应变矩阵。 ( 2 ) 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 p ) = p b 】 研。( 2 - 3 ) 式中 盯) 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。 ( 3 ) 利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵 其刚度方程为 俾) 。= k 】 田。( 2 4 ) 式中【k 】称为单元刚度矩阵，可以导得： k 】：i ii b 】 d b d x d y d z ( 2 - 5 ) 4 非节点载荷的移置 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，结果是唯 一的。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： p ) 。= n 】c t q ) + 旺】7 p r ) d v r + 【 7 p 一 d a ( 2 6 ) 式中 n 】c 为集中力； q ) 为作用点处的形函数； p r ) 和 p ) 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【k 】；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 ，) + 只8 ) ，其中 q ，) 为节点i 上的集中力；e 彳) 为各单。 6 约束处理并求总刚度方程 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。 7 计算单元应力并整理计算结果 6 利用公式( 2 3 ) 和已经求出的节点位移计算结构上所有感兴趣部件上的应力， 并绘出结构变形图及各种应力分量、应力组合的等值图。 尽管未知量处于离散的自由度，内部方程仍被写成表达连续集的应变函数。 这就意味着如果选择了正确的单元的话，纵然这个有限元模型有一组离散的方程， 只要用有限的节点和单元也可收敛出正确的答案。 有限元模型是解决整体结构问题的完全理想化的模型，这些问题包括节点的 定位、单元、物理特性和材料特性、载荷和边界条件。对不同的分析类型，模型 定义也不同，如静态结构载荷，动态或热分析。 对于给定的问题来讲，求解结果的准确性将取决于结构建模的好坏，负载和 边界条件的假设，以及所用单元的精度。一般来讲，如模型单元划分得越密，结 果越准确。了解你在最终的求解结果上有充分收敛的唯一确信的方法是用更细的 网格单元来建立更多的模型，以检查求解结果的收敛性【4 】。 2 1 3 有限元分析软件简介 现在的商业化有限元软件已经很多，也很成熟，而且能解决的问题范围很广 泛，从结构、动力、热平衡到电磁场等诸种情况均有比较成熟的软件。比较常用 的有限元软件有：s a p 、a d l n a 、a s k a 、n a s t r a n 、s a f e 、a n s y s 等。 在本文的研究中，使用的软件是目前轨道车辆有限元分析通用的大型商业软 件a n s y s ，该软件功能强大，能够完成复杂工程问题的计算。 a n s y s 是一个大型的通用有限元计算机程序，是美国a n s y s 公司的c a e 产 品，1 9 7 1 年问世。随着分析技术的进步，许多新的设计分析概念和方法不断充实 到a n s y s 程序中，a n s y s 推出微机版程序，使得a n s y s 的普及及应用取得巨 大的成功。经历了4 x 、5 x 、6 x 、7 x 、8 x 到a n s y s 9 0 ，a n s y s 程序的功能 不断丰富，更加完善，求解的速度和规模也越来越大，操作也越来越方便，受到 了广大工程技术人员的极大欢迎。当前的a n s y s 版本嵌入了具有图形用户界面 ( g u i ) 的窗口、下拉菜单、对话框和工具栏等，所有的菜单系统用户可以根据需 要进行用户化定制，与过去相比已经焕然一新了。a n s y s 已经被广泛应用于许多 工程领域，如航空、汽车、电子、核科学等。 a n s y s 提供c a d 导入导出接口，便于实现与c a d 之间模型的转换工作。 a n s y sc a d 接口产品支持流行的c a d 软件，如p r o e 、u g 、c a t i a 等，没有直 接转换接口的c a d 程序可以通过如i g e s 、p a r a s o l i d 等格式文件输入a n s y s 。 针对实际工程应用，a n s y s 单元库包含的单元十分丰富，将近2 0 0 种单元， 其中许多单元是早期开发的，在最近几个版本中a n s y s 改进了大量的单元技术。 7 韭塞窑垣厶主丝主芏芷监塞直阻亘拦型曲壁童 不断完善旧单元技术同时推出了代表最新技术的1 8 x 序列单元。所有这些单元 可满足a n s y s 各种分析功能的需要，且保证求解的高精度和高可靠性 ”。 2 2 模型车主要技术参数和结构简介 奉论文计算时所采用的分析模型是铁道部为中国铁路第六次提速而引进自法 国阿尔斯通公司的高速列车c p - h 5 型动车组的头车m c 2 车。c r h 5 动车组原型为 e t r 系列的s m 3 动车组，其铝合金车体结构保持了e t r 系列动牟组的基本结构。 n _ 童 。 ，乎禽萝等：一= 二= 二。四锄j ： 篷兰! j 菘莲i 曲；亨：毒衰氢若 磊蔫霞耳职蕊醯蕊鞠蕊营西秽tiu | _ 笙：li 努囡归归n 目曰国圜丑e l 翌固壁囝_ i l 2 【y ；0 ；， 。 图2l m c 2 车车体结构 f i 9 2 一im c 2 b o d yn u c m r 。 m e 2 车的主要技术参数如下： 最高运营速度：2 2 0k m h 车体长度：2 7 6 0 0m 车辆宽度：3 2 0 0 删 车体高度：3 7 3 0r n m 车辆定距：1 9 0 0 0n u n 轨距：1 4 3 5m m 车体重量：8 6 5 4k g 车体自重+ 载重+ 车体整备重量：4 6 9 8 4k g j j j l 韭瘟窑煎占堂硒堂焦i 盘童直星亘拦型鳇建生 c r h 5 动车组车体结构按照u i c5 6 6 和e n1 2 6 6 3 标准进行设计( 其中气密强 度按+ 6 0 0 0 p a 与垂向载荷合成考虑) 。该车体结构为中空铝合金挤压型材焊接结 构，由底架、侧墙、车项、外端墙、内端墙、走廊墙和空气动力学端部结构等部 分组成，如图2 2 所示峨 图2 - 2m c 2 车车体结构分解幽 卜一空气动力学端部；2 一内端墙；3 一底架； 4 一外端墙；5 - - 车项：6 侧墙 f i 9 2 - 2 m c 2c a r b o d ys r l l c i l l l _ e d e c o m p o s i t i o n m a p - a e r o d y n a m i c f f i n g e ；2 - i n s i d e - t r a n s v e r s a l w a l l ；3 - c h a s s i s ； 4 - e x t e m a l h a n s v e r s a l w a l l ；5 - c v e dr o o f ；6 - s i d e w a l i ( 1 ) 底架 底架由焊接构架、端部缓冲梁组成、枕梁剐性支座、脚蹬组成、底架焊接件 等部件组成。其中底架焊接件主要包括牵引电机止挡、废排箱架、接地螺母等部 件。为最太减少构件的焊接，底架下部的型材设有“t 型槽”，用于吊挂底架下部 的各种设备。 底架牵枕缓粱是车体结构的重要承载部件，在材料上选用强度较高的6 0 8 2 t 6 铝合盒。其中枕梁由焊在底架边粱上的8 个枕粱座组成，枕梁座由型材机加工而 成。 头车的端部缓冲粱为空气动力学端部，它包括前端墙、侧板、盖板、牵引梁、 排障器支座等部件，由9 种2 5 块型材和两种铝板经过机加工后焊接组成。材料除 了前端墙和盖板为6 0 0 5 a t 6 外，其余均为6 0 8 2t 6 。 ( 2 ) 侧墙结构 侧墙由4 种纵向放置的4 种挤压铝型材组成，型材材质为6 0 0 5 at 6 ，其蒙皮 厚度为2 5 m m ，内筋板厚度为2 5 m m 的中空挤压型材( 总厚5 0 m m ) 。侧墙上开有 各种窗户、司机室门、塞拉门，在侧墙装配完成后用机器加工。窗角外侧半径为 1 7 0 m m ，内侧半径为1 8 0 m m 。塞拉门外侧半径为1 0 0 m m ，内侧半径为1 2 0 m m 。 ( 3 ) 车顶结构 车顶为自承载结构，采用4 种( 共7 块) 向放置的蒙皮厚度3 m m ，内筋厚度 2 5 m m 的中空挤压型材( 总厚5 0 m m ) 对称排列组焊而成，型材材质为6 0 0 5 a t 6 。车 顶开有4 排t 型槽，内部开了4 排滑槽，用于内装及设备的安装。另外车顶焊接 有空调座、天线座、司机室空调座等部件，开有司机室空调坑、空调进气口、空 调出气口等。 ( 4 ) 端墙结构 为满足车体强度要求，在车体侧门附近车顶端部设置有横梁、纵梁、盖板等 构成的加强结构，材料选用6 0 8 2t 6 。内端墙焊接在车顶横梁下，以增加整车的刚 度。后端外端墙由铝合金“工字型材、各种铝合金板、直筋铝合金型材等组成； 并设置有与车顶相连接的加强筋，与地板相连接的加强筋，供连接后冲击柱用的 加强筋等。 综上所述，c r h 5 铝合金头车车体具有如下主要结构特点： 1 特殊牵枕缓装置：底架上采用枕梁座代替了传统的贯通式枕梁，并设计了 全新的牵引梁结构，不再通过焊接工艺进行枕梁与牵引梁的组装连接。该种结构 既能有效的传递纵向力，保证车体结构强度的需要，又能有效消除因制造工艺的 原因而造成的质量问题而引发的安全隐患。 2 采用具有承载作用的内端墙：在车体后端车门内侧设置了焊接内端墙，其 与顶部、底架通过台部分形成整体承载框架结构，提高了车体整体结构强度，尤 其是抗扭转刚度。 3 车体头部防撞击设计：车体结构的耐撞击吸能结构设计是c r h 5 车体结构 的特色技术之一。m e 2 车的前端预留了安装耐撞击吸能结构支架，在需要时可以 安装吸能元件。 4 强大的底架边梁：利用强大的底架边梁来悬挂自重较大和能产生强烈振动 的底架悬挂部件，避免地板型材刚度不足容易发生振颤、引起疲劳破坏等问题【7 1 。 l o 2 3 车体的有限元分析模型 论文中选择运用已经成熟的c r h 5 的头车m c 2 车作为模型车进行有限元分析 计算及比较，而有限元分析计算结果正确与否，直接受分析模型与实际结构力学 一致性程度的影响。车体有限元模型会由于所选择的单元类型及施加的边界条件 等因素不同，算出的结果可能相去甚远。 2 3 1 车体结构的几何模型 由于实际结构物的构造和受力往往是很复杂的，且不适合直接采用有限元法 进行计算( 如边界支承和载荷条件不适合等) ，这就要求在建立计算模型的过程中， 进行种种必要的简化，也就是说，计算模型与实物相比在不同程度上都具有一定 的近似性。一般说来，由于这种近似性所造成的计算误差，要比有限元法理论本 身的计算误差大得多，故结构计算模型选择的合理与否，是直接影响计算结果精 度的首要因素。 在建立有限元计算模型时，根据c r h 5 头车车体的结构特点和设备布置对称 情况，为了保证有限元计算结果的精确性，同时兼顾其经济性，考虑到该车车体 结构及载荷基本上对称于车体纵向中央平面，故取1 2 车体建立结构离散力学模 型，对称面上按对称面约束处理，相应的约束将按照所施加的工况施加到对称面 上，同时分布在车体上的质量也需要考虑相同的对称性，对称面上按对称面约束 处理。关于本论文中模型的建立，考虑到该车车体结构及载荷基本上对称于车体 纵向中央平面，故取1 2 车体建立有限元模型【8 】。 车体是一个复杂的三维空间结构，在建立计算模型时作了必要的简化。任何 构件和零部件都是三维的，但是当某一个方向或某两个方向的尺寸远远小于其他 方向的尺寸时就可以简化为板或梁，这种简化称为降维。车顶，侧墙，底架以及 端墙完全按照真实结构简化为板壳单元，这种简化模型不仅能代表原结构的力学 特性，而且大大减小了解题规模，为后期分析计算提供了方便和可靠度。m c 2 车 体半车几何模型如图2 3 所示。 些立窒煎厶堂亟芏位垃塞互匣丞控型曲建童 图2 - 3 半车几何模型 f i 9 2 - 3 g e o m o t r i c m o d e lo f h a t f b o d y 2 32 车体结构的单元选择 车体结构分析的单元选择是其有限元计算中极其重要的问题，它包括单元类 型的选择和单元精度选择两个方面的内容。单元类型的选择主要考虑结构的受力 特性，选择的原则是对所选的单元可以使计算精度高、收敛速度快、计算量小。 单元的类型应对结构形状有良好的逼近要真实反映结构受力状况单元划分的 大小应根据结构问题分析的具体情况，以及计算精度和费用、计算机的内存等因 素综台考虑后加以应用， 铝合金车体主要采用大型中空挤压型材，其厚度方向的尺寸远小于其它两个 方向的尺寸，可以忽略沿厚度方向的应力变化，又由于车体受力情况复杂，需要 承受纵向和横向剪切、垂向弯曲和压缩、纵向拉伸和压缩等载荷，因此本论文主 要采用s h e l l 6 3 板壳单元来模拟车体结构【9 。该单元考虑了横向剪切刚度，这对受 力情况复杂的车体来说是必要的。同时根据车体的结构特点，本文还选用m a s s 2 1 质量单元、s o l i d 4 5 实体单元和c o m b i n l 4 弹簧元单元【1 “。 ( 1 ) s h e l l 6 3 单元是常用的一般壳单元。在使用时，必须定义实常数，包括四 个节点处的板壳厚度、弹性基础刚度、附加质量等，其中4 个节点处必须定义厚 度参数，并且允许定义不同的厚度，这时相当于变厚度板壳。另外，每个壳单元 有6 个表面，在给壳单元施加压力载荷时必须通过载荷关键字l o a dk e y 指定压力 施加在其顶面( 默认l o a dk e y = 1 ) 还是底面( l o a dk e y = 2 ) 。并且通过改变l o a dk e y 还可以施加侧向的压力。 ( 2 ) m a s s 2 1 是一点单元，有六个自由度，分别为沿x 、y 、z 方向的移动和绕 x 、y 、z 轴的转动。在静力分析中，如果不存在加速度，质量单元是不起作用的。 ( 3 ) s o l i d e 4 5 是八节点三维实体单元，有三个自由度，分别为沿x 、y 、z 方 向的移动。s o l i d e 4 5 允许退化成三棱柱单元，或者四面体单元。s o l i d e 4 5 支持塑性、 蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能，具有沙漏控制的凝聚积分选项。 s o l i d e 4 5 具有六个单元面，对应1 - 6 的六个编号，对应表面施加位置关键字( 即 l o a dk e y ) 。 ( 4 ) c o m b i n l 4 是具有纵向或者扭转性能的单元。纵向弹簧元是单轴拉压单 元，最多具有三个自由度，分别为沿x 、y 、z 方向的移动，不具有弯曲或扭转特 性。扭转弹簧元是纯粹的转动单元，具有三个自由度，分别为沿x 、y 、z 轴的转 动，不具有弯曲或轴向承载性能。 2 3 3 车体结构的网格划分 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要 的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模直接产生影响。所以采 用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多c a d 系统和有限元求解器进行方 便的数据交换的有限元前处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有 十分重要的意义。 h y p e r m e s h 是一个高性能的有限元前后处理器，它能让c a e 分析工程师在高 度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。它支持直接输入己有的三维c a d 几 何模型( u g 、p r o e 、c a t i a 等) 和已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质 量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得c a e 分析工程师能够投入更多的 精力和时间到分析计算工作上去。 h y p e r m e s h 网格生成的基本方法【： 在建立和编辑有限元模型方而，h y p e r m e s h 提供用户一整套完善的、高度先 进的、易于使用的工具包。对于2 d 和3 d 有限元建模，用户可以使用各种网格生 成模板以及强大的自动网格划分模块。并且h y p e r m e s h 的自动网格划分模块提供 用户一个智能的网格生成工具，该模块会自动地先对分析域生成的粗略网格进行 有限元求解，从解的结果判断求解区域哪个地方的结果或结果的梯度较高，再在 该处局部细化网格，如此反复进行，直至网格密度分布合理为止。在生成网格的 同时，该算法还不断地对网格进行交叉处理、边界的光滑处理、网格的整合和光 韭直奎亟左堂亟堂位硷毫直匝亘控型啦建童 顺直到最佳网格的生成。并且这种算法具有较高的边界灵敏度，能较好地拟台 边界形状，得到的边界单元形状较好，网格接近方形单元，是种较好的网格生成 算法。 h y p e r m e s h 也可以快速地用高质量的一阶或二阶四面体单元自动划分封闭的 区域。四面体自动网格划分模块应用强大的a f l r 算法。用户可以根据结构和c f d 建模需要来单元增长选项、选择浮动或固定边界三角形单元和霞新划分局部区域。 同时可以交互凋整每个曲面或边界的网格参数，包括单元密度、单元长度变化趋 势、网格划分算法等等。因此，可以说h y p e r m e s h 的网格优化处理方法优于传统 的有限元网格处理方法”“。 在本论文中，基本分析单元为四边形壳单元。在网格划分时，影响州格质量 的两个主要因索是单元扭曲状况和单元长宽比。同时在划分单元时，除了考虑计 算精度外，还要考虑所用计算机的承受能力等因素，合理设置单元大小。因此采 用计算机自动划分和人工局部调整，在划分完单元后，调入h y p e m a e s h 进行网格 检查和网格修改。半车有限元模型离散为2 0 8 7 8 6 个壳单元( s h e l l 6 3 ) ，5 3 5 7 个实 体单元( s o l i d 4 5 ) 具体网格详见图2 - 4 和圈2 5 。 闰2 4 车体前端有限元模型 f i g2 4 n f r o n tb o d y f i n i t ee l e m e n t m o d e l 幽2 - 5 车体后端有限元模型 f i g2 - 5t h e b a c kc a t - b o d y f i n i t ee l e m e n t m o d e l 2 4 论文模型正确性的验证 论文采用的分析模型是铁道部为中国铁路第六次提速而引进自法国阿尔斯通 的高速列车c r h 5 型动车组的头车m e 2 车，在通过进行计算米分析欧洲标准 e n l 2 6 6 3 、日本工业标准j i s e 7 1 0 6 以及我国暂规异同之前首先要验证模型的正确 性，只有这样才能保证分析依据的可靠性。 该模型的正确性是通过计算工作状态下作用在车钩水平高度1 5 0 0 k n 的纵向 压缩力与垂向载荷这一组合工况将其计算结果与模型原型车的厂商提供的计算 报告对比来验证的。 2 41 车体大应力值与发生位置的比较 车体最大应力值及其发生位置见表2 1 。 韭直窑重态堂亟芏僮监室直匪霾撵型的建童 表2 - 1 车体应力的比较 位置模型计算结果厂商报告结果 后端门靠近内端墙的上角 2 0 27 4 m p a2 0 3 l m p a 后端钩缓与地板连接部 1 6 03 2 m p a1 8 05 6 m p a 司机门靠近内端墙的下角 1 7 06 5 h 佃a1 7 50 m p a 工作状态，在车钩水平高度1 5 0 0 k n 纵向压缩力的作用下，整个车体的最大当 量节点应力，发生在后端门靠近内端墙的上角，为2 0 27 3 8 m p a 如图2 - 6 所示。 r 1 ，一 n _ _ _ 一f 卜 - l - i i i 一一- 三：三：二：三三。“：鬻 2 42 车体变形的比较 图2 - 6 应力最大位置应力图 f i 9 2 - 6p a r t i a l m 缸i m a ls h s 8 在车钩水平位置上施加纵向压缩载荷1 5 0 0 k n 与垂向载荷这一组合工况时车 体的纵向变形和垂向变形的计算结果与报告结果见表2 - 2 。 表2 - 2 车体变形比较 车体变形模型计算结果厂商报告结果 最大值+ 1 36 8 r a m + 1 27 7 m m 纵向 最小值 一7 1 3 m m6 4 m m 最大值+ 8 1 1 8 m m + 72 3 n m a 垂向 最小值 - 1 47 3 r a m1 65 9 r a m i e 直至垫盍堂亟芏逵盐銮直匝五拦里! 的建生 在车钩水平位置上施加压缩载荷1 5 0 0k n 与垂向载荷这一组合工况时车体的 纵向变形图和垂向变形图如图2 7 和图2 - 8 所示。 圉2 7 纵向变形闰 酗2 - 8 垂向变形图 2 5 本章小结 本章简单介绍了有限元分析方法及其分析软件a n s y s ，列出了论文中所选有 限元模型的车体主要技术参数，在此基础上重点阐述了模型的建立、单元类型选 择以及网格划分等，最后对模型的正确性进行了验证。建立的车体有限元模型为 后面的分析做好了准备。 1 8 3 车体作用载荷及车体结构强度设计规范 动车组车体需要承受旅客的重量和各种机件的重量，作为高速运行的结构 物，在运行中还承受纵向、横向、垂向、扭转和气密性载荷等动态载荷的作用。 车体结构强度设计上除涉及设计载荷( 包括静载荷与疲劳强度设计载