（车辆工程专业论文）跨座式单轨车辆车体结构疲劳分析.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明嗍y 嗍1 m 9 0 2 吣帆1 m 1 1 9 锄 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：潘两更日期：2 _ 0 1 1 年年月，7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：潘两受指导教师签名：，二昕 日期：2 0j | 年犀月门日 日期：如、年月f7 日 i 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社删 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 学位论文作者签名：滔两更 e t 期：ij 年犀月fc 日 指导教师签名：砺 日期喇川刖7 日 摘要 在城市轨道交通系统中，跨座式单轨交通系统作为一种短距离和中小客流量 的轨道交通系统，占有越来越重要的地位，因此对跨座式单轨交通车辆车体结构 进行疲劳和强度、刚度、模态分析研究非常必要。 本文在国内首次以重庆轻轨三号线跨座式单轨车辆车体为研究对象，建立了 车体几何模型；在分析其铝合金车体结构特点的基础上，采用板壳单元，建立了 跨座式单轨车辆车体结构分析的有限元模型；根据该车使用情况，进行了五种计 算工况( 垂向弯曲工况、起动工况、制动工况、扭转工况和吊装工况) 下的车体 载荷研究与计算。 在上述基础上，进行了五种工况下的强度和刚度分析，得到了车体骨架的应 力分布和刚度状况，为该车的进一步结构改进提供数据支持。为掌握车体的动态 性能，对车体结构进行了模态分析，得到车体的前5 0 阶固有频率，并对低阶固 有模态振型进行了约束模态分析，确定了车体结构的固有频率和模态振型。 本文提出了一种将多体动力学仿真和有限元法相结合进行疲劳寿命分析的 方法，并以跨座式单轨车辆车体结构为研究对象进行了疲劳寿命分析。利用多体 动力学仿真结果获得车体结构的动载荷历程，基于动应力历程，结合应力应变分 析和p a l m i g r e n - m i n e r 损伤理论，利用相关软件对车体结构进行疲劳寿命分析， 得到车体结构的疲劳寿命分布，找出车体结构的薄弱位置，并进行了结构改进尝 试。 关键词：跨座式单轨车辆；车体结构；疲劳分析 a b s t r a c t a sak i n do fs h o r t - r a n g ea n dm e d i u mp a s s e n g e rt r a 伍co fr a i lt r a n s i ts y s t e m , t h em o n o r a i lv e h i c l eh o l d st h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h eu r b a nm a s s t r a n s i ts y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ev e h i c l eb o d yf a t i g u ea n d s t r u c t u r es t r e n g t h , s t i f f n e s sa n dm o d e i nt h i sp a p e r , i tw a st h ef i r s tt i m et om a k ec h o n g q i n gn o 3l i g h tr a i l s t r a d d l e - t y p em o n o r a i lv e h i c l eb o d ya st h er e s e a r c ho b j e c t , ag e o m e t r i cm o d e lo f v e h i c l ew a se s t a b l i s h e d t h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro fs t r a d d l e - t y p em o n o r a i l v e h i c l ew a si n t r o d u c e d , u s i n gs h e l le l e m e n t s ，af e mm o d e lo ft h eb o d yw a s e s t a b l i s h e db yr e a s o n a b l es i m p l i f i e d a c c o r d i n gt ot h eu s a g ec o n d i t i o n , i d e n t i f i e d f i v ec a l c u l a t i o nc o n d i t i o n s ( b e n d i n g ，s t a r t i n g ，b r a k i n g ，t o r s i o na n dl i f t ) ，m a d e c o r r e s p o n d i n gl o a dr e s e a r c ha n dc a l c u l a t i o n b a s e do nt h el o a da n dc a l c u l a t i o na n a l y s i s ，a c c o r d i n gt ot h es t r e n g t ha n d s t i f f n e s sa n a l y s i so nf i v ec o n d i t i o n s ，g o tt h ec a rb o d ys t r e s sa n ds t i f f n e s ss i t u a t i o n , p r o v i d i n gd a t as u p p o r tf o rf u r t h e rs t r u c t u r a li m p r o v e m e n t t h em o d a la n a l y s i s w a sm a d ei no r d e rt og e tt h ed y n a m i ci n f o r m a t i o no ft h eb o d y t h ef i 埘o r d e r s n a t u r a lf r e q u e n c i e sh a db e e nc a l c u l a t e da n dl o w - o r d e rv i b r a t i o ns h a p e so ft h e b o d ys t r u c t u r ew e r ea n a l y z e d t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d es h a p e sw e r e d e t e r m i n e d m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rp r o p o s e d am u l t i b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o n c o m b i n e d 诵廿lt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf a t i g u el i f em e t h o d ，a n dc a l c u l a t e d f a t i g u el i f eo fm o n o r a i lv e h i c l eb o d ys t r u c t u r e m u l t i b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o n r e s u l to b t a i n e db yt h ed y n a m i cl o a dp r o c e s so ft h eb o d ys t r u c t u r e b a s e do nt h e m e t h o dt oc a l c u l a t et h es t r e s sa n ds t r a i na n a l y s i s ，u s i n gt h ep a l m i g r e n - m i n e r t h e o r y , u t i l i z i n gr e f e r e n c es o f t w a r eg o tt h es t r u c t u r a lf a t i g u ed a m a g e t h ef a t i g u e l i f ed i s t r i b u t i o no ft h eb o d ys t r u c t u r a lw a sa t t a i n e d ，t h ew e a kp o s i t i o nw a sf o u n d a n ds t r u c t u r ei m p r o v e m e n t sw e r ea t t e m p t e d k e y w o r d s ：s t r a d d l e d - t y p em o n o r a i lv e h i c l e ：v e h i c l eb o d ys t r u c t u r e ；f a t i g u e a n a l y s i s 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景、目的和意义l 1 2 国内外研究现状一3 1 3 论文研究内容及方法。5 第二章车体有限元建模6 2 1 铝合金车体结构和材料特性7 2 1 1 车体结构简介7 2 1 2 车体材料特性9 2 2 重庆轻轨三号线车体与二号线车体的结构对比1 1 2 3 车体有限元模型的建立1 2 2 3 1 坐标系的选择及单位的统一。1 2 2 3 2 单元的选择。1 3 2 3 3 几何模型的生成。1 4 2 3 4 网格划分及其质量检查。17 2 3 5 单元与单元之间的连接。2 0 2 3 6 材料属性的定义一2 l 2 3 7 模型的生成。2 2 第三章车体静强度分析2 4 3 1 基于车体结构强度分析的跨座式单轨车辆力学模型2 4 3 1 1 跨座式单轨车辆的车体及走行系统。2 4 3 1 2 载荷传递分析2 6 3 1 3 约束处理一2 8 3 1 4 载荷分析与计算。2 9 3 2 计算工况的选择。3 4 3 3 跨座式单轨车辆结构分析评价标准3 6 3 4 强度计算3 7 3 4 1 垂直弯曲工况。3 7 3 4 2 起动工况。3 8 3 4 3 制动工况。3 9 3 4 4 扭转工况。4 1 3 4 5 吊装工况4 2 3 4 6 三号线与二号线车体强度计算结果对比分析4 3 3 5 刚度计算4 4 3 5 1 垂直弯曲工况4 4 3 5 2 起动工况。4 6 3 5 3 制动工况4 7 3 5 4 扭转工况4 8 3 5 5 吊装工况。4 9 3 5 6 三号线与二号线车体刚度计算结果对比分析。5 0 第四章车体模态分析5 2 4 1 模态分析方法概述5 2 4 2 车体模态有限元模型的建立5 5 4 3 车体自由模态分析5 6 4 3 1 三号线车体约束模态分析5 6 4 3 2 二号线车体自由模态分析5 9 4 3 3 三号线与二号线车体模态分析对比分析。6 2 第五章车体疲劳寿命预测6 3 5 1 结构疲劳的理论概述6 3 5 2 疲劳分析的方法“ 5 3 载荷谱的采集和处理6 6 5 3 1 车辆动力学拓扑关系的建立6 6 5 3 2 载荷谱的采集一6 6 5 4 材料$ - n 曲线的选择6 8 5 5 疲劳寿命分析及仿真结果6 9 5 6 车体裙板结构改进7 2 第六章结论与展望7 6 6 1 结论7 6 6 2 展望7 6 致谢7 7 参考文献7 8 在学期问发表的论著及取得的科研成果8 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 随着城市化的快速发展，城市地区道路交通拥挤、交通事故以及由于道路交 通排放引起的交通污染已经成为备受各界瞩目的问题。作为发展中国家，我国人 均资源稀缺，交通需求总量巨大，探讨一种满足我国经济建设与居民生活需要的 可持续的交通解决方案具有重要的战略意义。 在这样的背景下，公共交通被认为是未来交通的主要形式，其中，城市轨道 交通又是公共交通系统的骨架。城市轨道交通具有容量大、安全、环保特性好等 特点，过去2 0 年来受到包括发达国家和发展中国家在内的许多大城市的青睐。 我国数十个大城市也启动了城市轨道交通建设计划，区域轨道交通系统网络呼之 欲出。可以预见，未来3 0 年中，我国城市轨道交通系统将会得到持续、快速的 发展 2 1 。 轨道交通之所以受到人们的重视，是基于以下原因： 1 经济的发展使人们对交通需求的内容发生了重要变化，其中最关键的是 生活节奏的变化。生活节奏的加快使得人们对延误的忍耐力下降，延误少且准时 的交通方式成为需求的重要特点，而与道路隔离的轨道交通越来越受到人们的青 睐也就不足为奇了。 2 轨道交通具有较好的可持续发展特性。轨道交通完成单位运输量所排放 的污染物以及所消耗的能源远低于其他交通方式，尤其是私人交通方式。 3 轨道交通能提供更舒适的乘车环境，也具有更大的安全性。 为了使跨座式单轨技术在我国得到进一步的推广和应用，就必须在现有的引 进技术基础之上，对其进行开发、研究和国产化，逐步完善相应的专业规程、规 范。车辆是城市轨道交通最重要的也是最关键的设备，所以跨座式单轨车辆的国 产化是将跨座式单轨技术在我国推广的重要一环。这就需要利用现代化的设计方 法，对跨座式单轨车辆进行计算、分析和设计u j 。 单轨交通的发展有近百年历史，现存最早的单轨铁路是德国在1 9 0 1 1 9 0 3 年间修建的一条约1 3 k l n 的悬挂式单轨铁路，牵引动力为电力驱动，该条铁路先 仍在运营中。当时主要用于游乐，作为城市交通，由于其本身局限发展缓慢。2 0 世纪6 0 年代以来，由于地面交通十分拥挤，一些城市将目光转向空间利用改善。 目前，日本是单轨铁路最多的国家，此外，德国、美国、意大利、澳大利亚和乌 克兰等国家也建有单轨铁路。 2第一章绪论 单轨铁路一般使用道路上部空间，故土地占用较少。大多数单轨系统采用橡 胶轮胎，可以适应急弯及大坡度，对复杂地形有较好的适应性，从而减少拆迁量。 同时，单轨系统建设工期较短，投资也小于地铁系统。单轨系统的不足是运营费 用偏高，而且，目前已投产的单轨系统的运量很少达到设计能力。随着单轨技术 的改进与成熟，单轨系统发展势头良好。 国外已建成城市交通单轨铁路长度通常为1 0 k m 左右，单、双线均有，但以 单线为主。最大坡度可达6 ，最小曲线半径可达6 0 m 。 轨道由轨道梁、支柱与道岔3 部分组成。轨道梁为预应力钢筋混凝土结构， 起承载、运行、导向与稳定车辆的作用。跨座式单轨的轨道梁顶面是列车的运行 轨道，两侧面的上、下部分分别是导向轮与稳定轮轨道。支柱的主要形式有“t 形、倒“l 形和“门 形等。道岔的基本原理是轨道梁的一部分为可活动部分， 通过活动部分的移动使一条线路与其他线路连接，达到车辆过岔的目的。 车站为高架设计，常见结构由下至上一层为道路面、二层为集散厅、三层为 站台，乘客由自动扶梯和电梯上下。站台为岛式，长约1 0 0 m ，站台两侧安装栅 栏或屏蔽门，站台顶棚与边墙连在一起。 单轨列车通常为4 辆编组，由于受站台长度限制，最多为6 辆编组。单轨铁 路的道岔转换时间较长，从而延长了列车的折返时间。 单轨交通有噪声低、振动小、对城市的景观及日照等影响小、通过小半径曲 线能力和爬坡能力强等优点。但是，单轨车还有运能小、速度低、能耗大、粉尘 污染等缺点。由于橡胶轮与混凝土轨面的滚动摩擦阻力比钢轨大，所以其能耗要 比普通钢轮钢轨的城市轨道交通约大4 0 ；橡胶轮胎与轨道面间的摩擦会形成橡 胶粉尘，对环境有轻度污染；列车运行在区间发生事故时，面积狭小的轨道梁难 以安设救援设施，疏散和救援工作都比较困难。该系统适宜于在市区较窄的街道 上建造高架线路，目前一般多用于运动会、体育场和大型展览会等场所与市区的 短途联系【2 】【4 l 【5 1 。 跨座式单轨车辆是在走形轨道上采用橡胶轮形式的电动客车。车体的宽度约 为3 m 左右，受橡胶轮胎载重的限制，车辆采取轻量化设计。车内坐席可以根据 客流量情况设计成纵向、横向和混合排列等不同布置。车辆的最高速度可达 8 0 k l 】咀l l ，运营速度约为3 0 l 【n 伽。列车运行、供电、车站设施、防灾报警装置、 站台监视及对乘客广播均由控制中心的计算机系统集中控制。 车体是跨座式单轨车辆的重要组成部分，主要承担着装载乘客和安装各种电 气设备的任务。因此，它必须具有足够的强度和刚度以满足运输使用的要求，同 时要具有良好的动态特性来保证乘员的安全和舒适性。为了尽量减少车辆运行时 的能耗，车体结构在满足强度、刚度的前提下，还必须尽可能减轻自重。另外， 第一章绪论 车体的各个部件在长期的运行过程中还会产生疲劳现象。为了保证车体在一定时 期内的运行安全，还要求其必须达到规定的疲劳寿命。本文的研究目的正是要解 决以上问题。 1 2 国内外研究现状 在欧洲，通过大量的线路运行试验，国际铁路联盟( u i c ) 和欧洲标准( e n ) 试验中心专家委员会发布了大量承载结构设计载荷、载荷工况组合和强度实验的 研究报告( 其研究报告的代号缩写为o r e 和e 剐r j ) ，制定出了相关的设计和试 验标准，如：u i c 5 1 0 3 ( 铁路车辆载荷标准) 、u i c 5 1 0 5 ( 车轮疲劳强度评价方 法) 、u i c 5 1 5 3 ( 车辆车轴设计计算方法) 、u i c 5 1 5 - 4 ( 铁路车辆转向架标准) 、 u i c 5 6 6 ( 国际铁路联盟客车车体结构分析标准) 、e n l310 3 ( 轮对和转向架非驱 动车轴设计方法) 和e n l 3 7 4 9 ( 铁路轮对和转向架构架结构要求) 等【l 】。在车辆 承载结构设计阶段，在上述相关标准的基础上，各国结合自身实际情况对承载结 构进行强度考核。 b a r t o s c h 和e x n e r 首先根据u i c 5 6 6 、g m r t2 1 0 0 和e n l 2 8 6 6 等标准制定了 v o i t ht u r b o 公司液力传动机车动力包焊接承载框架结构设计的基本载荷工况。其 次根据用户的特殊要求，即在静力学方面、特别是在动力学方面( 由于列车运行 线路、线路断面和各地区技术规范的不同) ，由各种特殊的载荷类型组合，补充 标准载荷工况文件。在上述标准和要求确定的载荷循环下，利用载荷组合，给出 相应的载荷工况数目。在静态载荷工况下，结构的安全系数应达到材料屈服极限 的1 1 倍或1 1 5 倍。在动态载荷工况下，焊接区域的安全系数应达到疲劳强度的 1 6 5 倍，非焊接区域应达到1 5 倍，或分别代之以抗拉强度的2 2 倍。在结构分 析阶段，采用3 d 实体单元对该焊接结构进行网格划分。对由有限元方法获得的 应力计算结果采用h o b b a c h e r 教授提出的i iw 方法，按坡口应力设计原理评定 其疲劳强度 2 1 。i iw 是国际焊接学会的简称，关于焊接结构的疲劳寿命计算，i iw 给出了一系列具体规定。i iw 提供的各种级别的焊接接头疲劳强度的s - n 曲线 是许多国际著名的焊接专家学者在实验室实测的。这些s - n 曲线不仅具有权威 性，而且具有工程实用性，因为这些s - n 曲线考虑了焊缝形状所引起的局部应 力集中、一定范围内的焊缝尺寸和形状偏差、应力方向、残余应力、冶金状态、 焊接过程和焊后热处理。 车体结构属于空间问题，这类结构的几何模型为3 d 实体模型，网格划分时 采用四面体、五面体和六面体形式的空间实体单元。s c h a b e r t 和m o s e r 采用3 d 实 体单元对焊接构架进行有限元网格划分，获得构架母材和焊缝区域的结构应力 ( 包含结构应力集中系数的应力) ，借助于s i e m e n ss g pg r a z 公司开发的应力转 4 第一章绪论 化程序，将焊缝区域的结构应力转化为名义应力，按照德国工业标准d i n l 5 0 1 8 给出的焊接接头设计和强度级别准则评定构架的疲劳强度 3 1 。 日本从2 0 世纪8 0 年代开始，对单轨列车轻量化承载结构的疲劳强度可靠性 问题进行了广泛的理论、实验室试验和线路试验研究，提出承载结构疲劳设计的 工程方法和延长其使用寿命的理论方法。在工程上，对于设计阶段的单轨车辆承 载结构，主要依据日本工业标准j i se 7 1 0 6 2 0 0 6 标准规定的载荷工况及载荷组 合，利用g o o d m a n 曲线对整体结构进行静强度和疲劳强度分析；对焊接结构细 节根据日本钢结构协会疲劳设计指南给出的疲劳设计曲线( 即s - n 曲线) 进一 步分析。同时进行概率设计或按疲劳损伤理论计算当量应力实施评估 4 1 。 阿久津胜则等在混合结构车体强度评价试验中，主要对车体在垂直静载下的 疲劳强度试验做了研究。除了在车体上施加标准设计条件下的垂直静载荷外，同 时考虑了运行时车体上下振动等因素引起的相当于0 9 8 m s2 加速度的动态垂直 交变载荷。以疲劳试验前后所进行的静载荷试验测定的应力、车体挠度和用重锤 落下法确定的车体垂直弯曲固有振动频率的变化情况来判定疲劳强度 5 1 。 当前，国外的车体设计已经较好地把有限元设计与分析法引入到产品的开 发、设计评价及生产中。利用有限元软件进行车体结构的静态分析、模态分析的 技术已经成熟，使车体的制造达到了较高的水平。 我国车辆制造行业有限元计算工作起步于1 9 7 5 年，相关科研单位和高等院 校推出了一批有价值的实用有限元软件，并应用于车架和车身的设计，取得了良 好的技术经济效益。从1 9 8 0 年开始，随着我国对外开放政策的实施，我国计算 机的使用条件得到了很大改善，计算机装备数量大幅度增加，国外流行的大型商 业性软件随之引入我国车辆制造行业，大力推动了我国轨道车辆车体有限元分析 技术的发展。 中南大学的杨明，杨燕荣利用有限元分析软件a n s y s 建立了t r 0 8 磁悬浮 列车车体的有限元分析模型，并对其进行了静强度分析。分析之前，首先确定了 该车体的基本载荷，然后根据该车的实际运行情况确定了车体载荷的组合工况。 通过静力分析，得到了车体在各工况下的应力分布，并在此基础上提出了优化方 案。 西南交通大学的雷成，肖守讷在分析某地铁铝合金车体结构特点和铝合金材 料的力学性能的基础上，建立了车体结构的有限元模型，确定了载荷工况，分析 了车体结构在各个工况下产生的应力、变形和模态。对该车体的强度、刚度和动 态特性进行了评价。 崔培兴，杨怀文在原有的d k l 6 基础上，对其进行改进，采用鼓形侧墙，对 钢制车体结构进行了静力学计算、结构修改分析、结构动态特性计算和重量、重 第一章绪论5 心及转动惯量计算，同时又对车体钢结构做了静强度试验，并对地铁车体结构强 度和刚度评价标准进行了探讨，为车体结构设计提供经验及参考依据。 缪炳荣，张卫华，肖守讷等提出了一种多体动力学仿真和有限元法相结合进 行疲劳寿命预测的方法，并以机车车体结构为研究对象进行了疲劳寿命计算。利 用多体仿真技术获得车体结构的动载荷历程，然后利用准静态应力应变分析法计 算了结构的危险节点应力影响因子，根据模态分析技术确定车体结构固有频率和 模态振型以及危险点，最后基于动应力历程以及p a l m i g r e n m i n e r 损伤理论，利 用f e f a t i g u e 软件的基于应力的结构安全因子分析法对车体结构进行了疲劳 寿命预测。 目前国内对跨座式单轨车辆车体结构疲劳分析研究尚处于空白，本文通过对 其车体结构疲劳、静强度、刚度和模态的研究分析，为跨座式单轨车辆数字化设 计提供数据支持，推动我国跨座式单轨车辆的设计和研究。 1 3 论文研究内容及方法 本文是在上述背景下，对将运行的重庆轻轨三号线跨座式单轨车辆的车体进 行结构疲劳分析。具体工作和研究内容如下： 1 在跨座式单轨车辆车体三维几何模型的基础上，研究并建立了基于二维 板壳单元的车体结构有限元模型； 2 针对跨座式单轨车辆在实际运行时的各种典型工况，选择了跨座式单轨 车辆的载荷工况； 3 结合现有的铁道机车以及地铁车辆的相关评价标准，建立跨座式单轨车 辆车体结构的强度和刚度评价标准； 4 对跨座式单轨车辆车体结构进行静强度分析，得到车体的应力及变形分 布； 5 对该车体结构进行模态分析，得到了各阶固有频率和振型，进而找出车 体结构的危险点； 6 根据有限元分析得到的应力结果、材料的疲劳特性和载荷谱，利用雨流 循环计数法和p a l m g r e n m i n e l 线性累积损伤理论，采用s - n 疲劳寿命分析方法， 对车体进行结构疲劳寿命分析，得到车体的疲劳寿命分布； 7 基于以上分析，找出车体结构的不合理之处，提出改进方案，并对改进 后的车体结构重新进行计算分析，从而验证改进方案的可行性。同时，通过将三 号线的计算结果与二号线的计算结果进行对比分析，验证了三号线车体结构的合 理性。 6第二章车体有限元建模 第二章车体有限元建模 跨座式单轨车辆主要由车体、转向架、风源系统、电气传动控制、辅助电源、 通风采暖、空调、内装及设备、车辆连接装置、受流装置、照明和自控监控系统 等组成。 重庆轻轨三号线车体有如下特征： 1 该车外观新颖，4 辆编组； 2 该车上，每个车车项上均装有2 个单元式空调机组，其客室内装富有现 代气息； 3 这种车采用铝合金挤压型材，通过焊接组装起来； 4 采用v 腰控制装置作为控制和制动设备，v w f 控制装置是一种节能 型控制设备，因为它采用了再生制动方式，同时该车还装有停放弹簧制 动器； 5 在地板下设备和转向架四周装有裙板，对转向架组成零件均进行了降低 噪声处理，从而减小对列车运行线路附近的噪音污染； 6 转向架采用无摇枕类型，便于维修。同时也有助于提高旅客乘座舒适性。 三号线车体特征如图2 1 所示： 图2 1 车体特征 f i g u r e 2 1c a rb o d yc h a r a c t e r 第二章车体有限元建模 7 2 1 铝合金车体结构和材料特性 2 1 1 车体结构简介 重庆轻轨三号线中车车体的主要参数和结构化特征如表2 1 所示： 表2 1 车体主要结构参数 t a b l e 2 1m a i ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ec a r b o d y 列车编组4 辆编组( m c l + m 2 + m 3 + m c 2 ) 技术参数长：1 3 9 0 0 m m 宽：2 9 0 0 m m 高：( 车顶距轨面) 3 5 5 0 m m 乘客人数2 3 0 人 乘客重量 1 3 8 0 t ( 乘客平均质量6 0 k g a ) 列车总重4 1 4 t 最人设计速度 8 0 k m h 加速度 0 8 3 3 m s 2 线路坡度 6 0 o 车辆定距 9 6 0 0 m m 跨座式单轨车辆车体主要由车顶、侧墙、端墙、底架、铝地板和裙板组成。 整个车体采用铝合金焊接结构，对于主要的承载部件采用超硬铝材料。车顶和侧 墙主要采用大型宽幅带筋铝合金板结构，底架及其它车体部件均采用挤压型材焊 接结构，设计挤压型材截面形状时，是按照便于焊接及设备安装的要求来考虑的。 其中，与重庆轻轨二号线相比较，三号线车体的车顶和侧墙所采用的大型宽幅带 筋铝合金型材都由原来的开口型材改为闭口型材，端墙取消了原来的里侧骨架。 三号线整车车体结构如图2 2 所示： 图2 2 整车车体结构 f i g u r e 2 2c a rb o d ys t r u c t u r e 8 第二章车体有限元建模 底架使用空心桁架构件组成，其上表面是铝地板面，其下表面带有滑槽，在 其侧梁上也同样设有滑槽，以便安装底架部裙板。底架是车体结构中最重要的承 载结构，具有承载乘客、电气设备、裙板以及车顶和侧墙重量的作用，其中地板 需要制作得很平坦，高度也要一致，采用聚氨酯橡胶来实现这一要求，把这种涂 料均匀地涂在底架空心挤压型材构件的上表面，然后在这层涂料上再铺设一层 2 5 m m 厚的p v c 地板布。如图2 3 所示介绍了底架结构。 侧墙各段均由其骨架和其外板组成，主要是由大型宽幅带筋铝合金型材焊接 而成，其结构如图2 4 所示：。 图2 3 底架图 f i g u r e 2 3u n d e r f r a m ec o m p o s i t i o n 2 4 侧墙 f i g u r e 2 4s i d e w a l lc o m p o s i t i o n 车顶为采用挤压型材a 6 n 0 1 s t 5 制作的车顶板焊接而成，车顶端安装有空 调机组的支撑和固定装置，如图2 5 所示为车顶结构。 端墙为一整体成形带有圆弧度的结构，设有一个很大的前窗及一个贯通口， 其结构如图2 6 所示： 图2 5 车顶图 f i g u r e 2 5r o o f c o m p o s i t i o n 2 6 端墙一侧 f i g u r e 2 6o n es i d eo f t h ew a l l 第二章车体有限元建模 9 裙板主要是采用超硬铝型材和5 0 8 3 铝型材焊接而成的空间刚架结构，其中 机器室骨架承受着各种电气设备的重量，如图2 7 所示： 图2 7 裙板骨架 f i g u r e 2 7s k e l e t o na p r o n 车内客室内墙板采用铝基板表面贴膜，在天棚内的空调风道内衬以厚 5 m m - 1 0 m m 的不可燃隔热材料遍布风道内表面，用以防凝结出露水，在车体部 件内主要衬以超细玻璃棉，用以隔绝热量。 2 1 2 车体材料特性 重庆轻轨三号线车体骨架由铝合金焊接而成，其材料重量轻，且具有很强的 抗腐蚀能力。底架主要由a 6 n 0 1 s t 5 和a 7 n 0 1 s t 5 闭口铝型材组成，侧墙主要 由a 6 n 0 1 s t 5 铝型材组成，a 6 n 0 1 s t 5 具有很好的抗腐蚀性，并且挤压性非常 好。其中外板和骨架采用a 5 0 8 3 p 一0 和a 5 0 8 3 一h l l 2 制造，车顶采用a 6 n 0 1 s t 5 挤压铝型材制造其外板，a 6 n 0 1 s t 5 和a 7 n 0 1 s t 5 型材具有很高的强度，可焊 性也很好。上述材料同样被铁道车辆车体结构广泛采用。 5 0 8 3 合金中的主要合金元素为镁，具有良好的抗蚀性和可焊性，中等强度， 优良的抗腐蚀性能使5 0 8 3 合金广泛用于船舶、汽车、飞机以及地铁轻轨焊接件， 其主要化学成分为： c u 0 1 一，s i 0 4 - ，f e 0 4 一，m n 0 4 - 1 0 一，m 9 4 o - 4 9 - ，z n 0 2 5 一，c r 0 0 5 0 2 5 ，t i 0 15 - 车体各部分构件铝合金型材如图2 8 至图2 1 1 所示： 1 0第二章车体有限元建模 图2 8 铝合金型材 f i g u r e 2 8a l u m i n u mp r o f i l e s 图2 9 车顶焊接组成 f i g u r e 2 9r o o fw e l d i n gc o m p o s i t i o n 图2 1 0 底架焊接组成 f i g u r e 2 10u n d e r f r a m ew e l d i n gc o m p o s i t i o n 图2 ”铝合金车体由数十种铝合金型材焊接组成 f i g u r e 2 11a l u m i n u mc a rb o d yw e l d e db yd o z e n so fa l u m i n u mc o m p o s i t i o n 2 2 间， 将三 二号线底架边梁三号线底架边梁 图2 12 三号线与二号线底架边粱截面形状对比 f i g u r e 2 12t h eb e a ms h a p ec o m p a r i s o nb e t w e e nu l i 砖l i n ea n ds e c o n dl i n e 重庆轻轨三号线的侧墙由原来二号线侧墙的开口型材改变为闭口型材，三号 线侧墙结构与二号线侧墙结构对比如图2 1 3 和图2 1 4 所示： 图2 1 3 二号线侧墙图 f i g u r e 2 1 3s i d e w a l lo f t b es e c o n dl i n e 2 1 4 三号线侧墙 f i g u r e 2 1 4s i d e w a l lo f t h et h i r dl i n e 1 2第二章车体有限元建模 重庆轻轨三号线的车顶由原来二号线车顶的开口型材改变为闭口型材，三号 线车顶结构与二号线车顶结构对比如图2 1 5 和图2 1 6 所示： 图2 1 5 二号线车顶图 f i g u r e 2 1 5r o o f o f t h es e c o n dl i n e 2 1 6 三号线车顶 f i g u r e 2 1 6r o o f o f t h es e c o n dl i n e 重庆轻轨三号线的端顶较原来二号线的端墙取消了原来的里侧骨架，外墙板 由原来的2 5 m m 变为5 m m ，三号线端墙结构与二号线二位端墙结构对比如图 2 1 7 和图2 1 8 所示： 图2 1 7 二号线二位端墙 f i g u r e 2 1 7e n d w a l lo f t h es e c o n dl i n e 2 3 车体有限元模型的建立 2 3 1 坐标系的选择及单位的统一 图2 1 8 三号线端墙 f i g u r e 2 18w a l lo f t h e 廿l i r dl i n e 固结于车体的标准坐标系o x y z ，其原点o 与车辆质心重合，x 轴平行于地 面指向车辆前进方向；y 轴平行于地面指向驾驶员左侧，z 轴垂直于地面指向上 方，如图2 1 9 所示： 第二章车体有限元建模 1 3 2 3 2 单元的选择 图2 1 9 坐标系的选择 f i g u r e 2 1 9r e f e r e n c ef l a m ee l e c t i o n 建立模型就是根据建模目的将实物的特征和变化规律进行一种近似的模拟。 模型的作用是表达与建模目的有关的实物主要特征，而不是表达实物的所有特 征，也不可能表达出实物的全部特征。从这个角度来说，模型和实物保持着严格 的相似关系，但又不等同于实物。它能更加深刻、更加集中、更突出重点的描述 出客观实物的基本特性和主要特征。这个也是我们利用模型所取得的数据和结论 来揭示实物的内在规律和主要特征的原因。 在有限元法中，其计算的第一步是结构的离散化，即建立工程力学问题的有 限元计算模型，用合理有限的单元来近似模拟出结构上的某些力学特性。可供选 择的单元类型有很多，显然，所选单元与实际结构上该单元所对应处两者的力学 特性越接近，则其计算精度也就越高，模型的可信度也就越高。因此，为了建立 合理的有限元模型，就必然要求所使用的单元要尽可能的如实反映局部结构的实 际情况，即模型化的关键就是选择合适的单元类型来模拟实际结构。从总体上来 看，则要求有限元模型在反应出结构主要力学特征的前提下尽可能最大限度的如 实反映整个结构的实际情况。 目前，车体骨架设计中有限元分析模型建立的方法主要有两种：一是将车体 骨架简化为由梁单元组成的框架结构，其优点是模型处理速度快，缺点是计算结 果比较粗略，不能较细的反映出某些复杂结构处的真实情况；另外一种方法是将 车身简化为壳单元，其优点是能相对真实的反映出连接部分的情况，缺点是前处 理工作量大，计算时间长。为了解决计算的精确度和计算的时间这一矛盾以及合 理的利用计算机资源的问题，本文对跨座式单轨车辆车体骨架采用后者板壳单元 p s h e l l 的建模思路，如图2 2 0 所示： 1 4第二章车体有限元建模 图2 2 0 车体单元的选择 f i g u r e 2 2 0c a rb o d ye l e c t i o no fe l e m e n t 2 3 3 几何模型的生成 7 、 几何模型从c a t i a 软件导入，在导入c a d 模型进行有限元分析( f e a ) 时， 要考虑有限元分析对几何模型的要求与c a d 的不同。c a d 模型需要精确地几何 表达，通常会包含某些细微特征，如倒圆、小孔。而进行有限元分析时，如果要 准确模拟这些特征，需要用到很多小单元，导致求解时间延长。f e a 只需要简 化的几何模型，因此需要对模型部件的一些细节信息进行简化，以便于网格划分 和分析。此外，模型的一些几何信息在导入时可能会出错，如导入曲面数据时可 能会存在缝隙、重叠、边界错位等缺陷，导致单元质量不高，求解精度差。 忽略车体结构中的小尺寸结构，如小孔、开口、翻边、尺寸不大的筋等，因 为它们主要是为了局部连接或者工艺上避让一些管路、线束穿过而设，而不是从 提高强度或者刚度方面来考虑的。部分构件简化前后情况的对比如图2 2 l 所示： 图2 2 1 去掉小孔前后构件的对比 f i g u r e2 21c o m p a r i s o no fc o m p o n e n t sb e f o r ea n da f t e rr e m o v i n gs m a l lh o l e s 将一些构件中的小圆角和倒角去掉，因为这些细小的特征会严重影响有限元 网格的划分质量，造成计算精度的降低。去掉圆角和倒角前后的构件如图2 2 2 所示： 第二章车体有限元建模 1 5 图2 2 2 去掉圆角和倒角前后的构件 f i g u r e2 2 2c o m p o n e n t sb e f o r ea n da f t e rr e m o v i n gf i l l e ta n dc h a m f e r 因此，在c a d 模型导入后，进行网格划分之前需先进行必要的几何清理工 作。通过消除错位和小孔，压缩相邻曲面之间的边界，改进模型在导入时出现的 错误，消除不必要的细节，产生一个简化的部件模型，以便于网格划分和分析， 确保网格间的正确连接，获得满意的网格样式和质