（车辆工程专业论文）纵向力对货车车体结构的影响分析.pdf

摘要 摘要 随着我国现代经济的高速发展，为提高铁路运输能力，货运列车一直在向“重载” 方向发展。然而，随着列车长度及牵引吨位的增大，车辆问的纵向力也随之增大，车辆 结构的损伤问题更加突出。c 8 0 b 型运煤专用敞车在运用中就出现一系列问题，例如侧柱 根部焊接部位、枕梁腹板与上盖板焊接部位、心盘、端墙连接板与中梁的焊接部位出现 裂纹等等。对于这些问题目前只是从工艺的角度研究其产生的原因，对于在运行中车体 结构受纵向激扰导致疲劳损伤的研究很少。以往对动应力的研究方法是将多体动力学和 有限元分析相结合，建立车辆系统动力学模型，获得随机激扰下车体关键部位的动态响 应，利用动态应力分析方法对车体结构进行动应力计算。但是，目前只有垂向与横向随 机激扰，对于纵向激扰的研究很少。因此，研究纵向力对车体结构的影响，分析纵向力 对车体的疲劳损伤，是一个很有意义的课题。 论文利用有限元分析软件i - d e a s 建立了c 8 0 a 型专用运煤敝车车体有限元仿真模 型，分析在各向分力工况和组合工况作用下车体的应力，分别讨论了静态纵向拉伸力对 空重车车体的影响部位和应力较大的部位。其次对空重车车体进行动应力分析，讨论起 动和紧急制动纵向力对车体的影响部位和动应力较大的部位，并与静态纵向力对车体的 影响部位和应力数值进行对比；分析了起动和紧急制动纵向力对车体产生的应力、加速 度和位移影响，简单分析了动态纵向力和静态纵向力对车体产生不同影响的原因。最后 计算车体关键点的动应力幅值，得出损伤较大的部位。计算得出c 8 0 b 型敞车端墙下方 不满足强度要求，枕梁下盖板弧段处对静态纵向拉伸力最敏感；起动和紧急制动对车体 的影响部位为车体激励端的半个底架部分结构，动应力大点为底架的第一个横梁连接 板、枕内中梁翼缘、侧柱根部和大横梁下盖板处，这与静态时不同。动态纵向激扰对车 体底架的枕梁腹板处、侧柱根部和大横梁下盖板产生的动应力幅值最大，与c 8 0 b 型敞 车的实际裂纹情况吻合，证明本文的瞬态动应力分析法具有可行性。 关键词：货车车体；有限元：纵向力；动应力：疲劳 大连交通人学工学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e me c o n o m y , i no r d e rt o i m p r o v et h er a i l w a y t r a n s p o r tc a p a c i t y , f r e i g h tt r a i n sh a v eb e e nd e v e l o p e dt ot h eh e a v yd i r e c t i o n h o w e v e r w i t h t h ei n c r e a s eo fb o d yl e n g t ha n dt r a c t i o nw e i g h t ，t h el o n g i t u d i n a lf o r c ea m o n gt h ev e h i c l e sw i l l b ei n c r e a s e d ，a n dt h ed a m a g eo fv e h i c l es t r u c t u r ei se v e nm o r ep r o m i n e n t t h ec 8 0 b p r i v a t e g o n d o l a c a rh a se m e r g e dm a n y p r o b l e m s ，s u c ha st h ew e l dc r a c ko ft h er o o tw e l ds i d ec o l u m n , t h es l e e p e rb e a mw e b ，c e n t e rp l a t e ，s i d ew a l lc o n n e c t i n gp l a t ea n ds oo n c u r r e n t l ys c h o l a r s s t u d yi t sc a u s e so n l yf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft e c h n o l o g y , a n dt h ef a t i g u ed a m a g eo fb o d y s t r u c t u r eb yt h el o n g i t u d i n a le x c i t a t i o ni sr a r e l y p r e v i o u sr e s e a r c ho nt h em e t h o do fd y n a m i c s t r e s si sc o m b i n i n gt h em u l t i - b o d yd y n a m i c sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，e s t a b l i s h i n gt h e v e h i c l es y s t e md y n a m i c sm o d e l ，o b t a i n i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fk e yp a n so ft h eb o d y u n d e rt h er a n d o me x c i t a t i o n ，u s i n gd y n a m i cs t r e s sa n a l y s i sm e t h o dt oc a l c u l a t et h eb o d y s t r u c t u r ed y n a m i cs t r e s s h o w e v e r , t h ep r e s e n tr e s e a r c hi so n l yt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a l r a n d o me x c i t a t i o n ，i m p a c to nt h eb o d yo ft h el o n g i t u d i n a le x c i t a t i o nh a dl i t t l er e s e a r c h t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo fl o n g j i t u d i n a lf o r c eo nt h eb o d ys t r u c t u r ea n da n a l y z i n g t h ef a t i g u ed a m a g eo nt h e b o d yb yt h el o n g i t u d i n a lf o r c ei sas i g n i f i c a n ti s s u e t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dc 8 0 bf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e l ，u s i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ei - d e a s ，a n a l y z i n gb o d ys t r e s su n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s e p a r a t e l y d i s c u s s e da f f e c tp a r t sa n dl a r g es t r e s sp a r t so ft h ee m p t y t r u c k b o d ya n dh e a v yt r u c k b o d y u n d e rs t a t i cl o n g i t u d i n a lf o r c e s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e dd y n a m i cs t r e s so ft h ee m p t y t r u c k - b o d ya n dh e a v yt r u c k b o d y , o b t a i n e da f f e c tp a r t sa n dl a r g e rs t r e s sp a r t su n d e rs t a r ta n d e m e r g e n c yb r a k el o n g i t u d i n a lf o r c e ，a n dc o n t r a s t e dw i t hs t a t i cl o n g i t u d i n a lf o r c e ；a n a l y z e d t h es t r e s s ，a c c e l e r a t i o na n dd i s p l a c e m e n ti m p a c tw i t hs t a r ta n de m e r g e n c yb r a k el o n g i 【t u d i n a l f o r c e a n a l y z e dt h ed i f f e r e n ti m p a c tw i t hb o d yw h i c hu n d e rs t a t i ca n dd y n a m i cl o n g i t u d i n a l f o r c e f i n a l l yc a l c u l a t i n gt h ed y n a m i cs t r e s sa m p l i t u d eo ft h ek e yp o i n t s ，r e a c h e dt h eg r e a t i n j u r ys t r u c t u r e c a l c u l a t er e s u l t ss h o w st h a tt h es i d ew a l lo fg o n d o l ad o e sn o tm e e tt h e s t r e n g t hr e q u i r e m e n t s ，p i l l o wc o v e ra r c su n d e rt h eb e a mi st h em o s ts e n s i t i v ep o s i t i o nu n d e r t h es t a t i cl o n g i t u d i n a lt e n s i l ef o r c e i nt h er o l eo fl o n g i t u d i n a ld y n a m i ce x c i t a t i o no fs t a r t i n g a n de m e r g e n c yb r a k i n g , t h ei n f l u e n c es t r u c t u r eo fb o d yi sh a l fo ft h ec h a s s i sp a r to fe x c i t a t i o n s i d e ，l a r g e rd y n a m i cs t r e s sp o s i t i o ni st h ef i r s tc h a s s i sb e a mc o n n e c t i n gp l a t e ，o c c i p i t a lf l a n g e o ft h eb e a m ，r o o to fl a t e r a lc o l u m na n dt h ec o l u m nc o v e ro fl a r g eb e a m s ，w h i c hi sd i f f e r e n t f r o ma n a l y s i so fs t a t i cs t r e n g t h ；t h ep a r to fl a r g e s td y n a m i cs t r e s sa m p l i t u d ei ss l e e p e rb e a m w e b ，r o o to fl a t e r a lc o l u m na n dl a r g eb e a m su n d e rd y n a m i cl o n g i t u d i n a le x c i t a t i o n ，s a m et o t h ec r a c kc o n d i t i o no fc 8 0 bg o n d o l ac a lt h e r e f o r et r a n s i e n td y n a m i cs t r e s sa n a l y s i sm e t h o do f t h i sp a p e ri sf e a s i b l e k e yw o r d s ：c a r b o d y ；f i n i t ee l e m e n t ：l o n g i t u d i n a lf o r c e ；d y n a m i cs t r e s s ：f a t i g u e h 大连交通大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：p 车a 疋 日期：搠1 年12 月o 日 大连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太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权大连交通大堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 学位论文作者签名：随次 日期：如7 年，2 月o 日 导师签名：f 冬钉芝 日期：c 7 年，参月，d 日 学位论文作者毕业后去向：豫连钦向 工作单位：晚疑嚷锭瞻向论镀珐车诵段电话： j ；牛7 盼口。p 通讯地址：邮编： 电子信箱： 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 铁路是国民经济的大动脉，发展铁路事业，在国民经济中起着非常大的促进作用。 目前，铁路的客货运量占全国总运量的7 0 左右，是国民经济发展的主导。客车高速亿、 货车重载化已是铁路运输的既定发展方向。我国铁路货车经过5 0 多年的发展，整体技 术水平、制造工艺和运用检修均取得了巨大进步，但与世界先进水平和我国铁路运输快 速发展的新要求相比在轴重、快捷货车技术、可靠性设计和基础研究菩方面还有一定 的差距。依据( 中长期铁路网规划和( 铁路技术政策，预计到2 0 1 2 年部分线路将率 先实现客货分线，为充分利用既有条件，快速提高我国铁路运输能力，缓解制约国民经 济发展的瓶颈，应瞄准国际先进技术水平，借鉴国外重载、快捷运输的经验，加快重载、 快捷货车新产品开发和配套技术研究，实现快捷货车技术新突破、重载货车技术新跨越， 推进中国铁路货车技术全面达到国际先进水平n l 。 大秦线作为中国铁路改革发展的标志性、示范性和样板性工程，创造了单条铁路重 载列车密度最高、运输能力晟大、运营效率犀好的世界纪录。为实现大秦铁路2 0 1 0 年 运量达到4 亿t 的目标，满足大秦线丌行2 万i 重载列车的运输要求，从2 0 0 3 年开始， 相继推出了c 7 6 b 型、c 7 6 c 型、c 8 0 型敞车，并批量生产，初步缓解了运量增加与车辆 供给不足的矛盾。载重8 0 t 不锈钢运煤敞车的工作图设计、样车试制、车体静强度与刚 度试验、冲击及车辆动力学性能试验也成功完成。但c 8 0 b 型敞车在运用中发生了一系 列问题口刮：侧柱下部周边焊缝、端柱连接板焊缝、枕粱膜板、心盘等均出现疲劳裂纹 现象。其中枕梁腹板处裂纹情况如图11 所示。 目1 1 裂纹麒片 f i g1 1c r a c k p h o l o 大连交通大学t 学硕十学位论文 对于这些问题目前只是从工艺的角度研究其产生的原因，对于在运行中车体结构受 纵向激扰导致疲劳损伤的研究很少。随着速度的提高、货物列车编组数的增加和牵引重 量的加大，列车纵向冲动必然增大，列车启动、制动、调速等工况的纵向力也发生了变 化。因此，研究纵向力对车体结构的影响，分析纵向力对车体的疲劳损伤，是一个很有 意义的课题。本文借鉴大秦线万吨列车试验，研究货车车体在起动和紧急制动工况下车 体危险点的动应力情况，并预测车体的疲劳部位，为车体的设计提供参考。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 重载铁路货车概述 世界各国铁路由于运营条件、技术装备水平不同，采用的重载列车运输型式和组织 方式各有特点。为了推动世界重载运输的发展，国际重载协会先后在1 9 8 6 年、1 9 9 4 年、 2 0 0 5 年3 次修订了重载铁路标准。2 0 0 5 年国际重载协会修订的重载铁路新标准是满足 下列3 条中的2 条，即为重载铁路： ( 1 ) 列车重量不小于8 0 0 0 t ； ( 2 ) 轴重达2 7 t 以上； ( 3 ) 在长度不小于1 5 0k m 线路上年运量不低于4 0 0 0 万t 。 2 0 世纪5 0 年代以来，重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界 各国的广泛重视，特别是在一些幅员辽阔、资源丰富，煤炭和矿石等大宗货物运量占有 较大比重的国家，如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非、瑞典等国家。8 0 年代以后， 新材料、新工艺、电力、电子、计算机控制和信息技术等现代高新技术在铁路广泛应用， 铁路重载运输技术及装备水平不断提高，重载列车的牵引重量也有很大提高。目前，国 外重载列车牵引重量一般为1 万3 万t ，美国其重载货车轴重多为2 9 8 t - - - 3 2 4 3 t 、载重 9 5 t 1 1 0 t ，部分货车轴重为3 5 7 t 、载重1 2 0 t ，列车编组一般为1 3 5 - - 1 5 0 辆，牵引质量 1 7 5 2 万吨，运行速度约为7 0 , - - 一8 0 k m h ；巴西重载货车轴重3 0 t 、载重约9 6 t ，列车编 组3 0 0 辆，牵引重量3 万吨以上；澳大利亚重载货车轴重主要为3 5 7 t ，载重为1 2 0 t ， 轴重4 0 t 、载重1 3 8 t 的新型矿石车也开始投入使用，创造了世界运营货车的最大轴重。 哈默利斯铁矿铁路重载列车一般编组为2 2 6 辆货车，牵引重量为2 8 0 0 0 t ：2 0 0 1 年6 月 2 1 日，澳大利亚在纽曼山一海德兰铁路线上，试验开行了编组达6 8 2 辆货车的重载列车， 总长7 3 5 3 m ，牵引重量达9 9 7 3 4 t ，净载重为8 2 0 0 0 t ，创造了重载列车新的试验纪录1 4 j 。 进入2 1 世纪以来，我国铁路货车已发展到一个重载、提速的新阶段，现有5 0 多万 辆运用货车已全面完成1 2 0 k m h 提速改造，运用货车载重已实现由6 0 t 级向7 0 t 级的升 级换代，专用敞车载重已达8 0 t 。轴重2 3 t 、载重7 0 t 的通用货车成列编组，列车牵引重 量达5 0 0 0 t - - l o o o o t ，商业运营速度达1 2 0 k m h ，并且实现了专用线列车牵引重量2 万t 的重载运输。这标志着我国铁路货车发展到了一个新水平、新阶段。 2 第一章绪论 1 2 2 动应力研究方法概述 ( 1 ) 处理动应力的数值分析方法概述 不论是振动理论还是应力波理论，对于复杂的问题( 如结构形状复杂) 都很难通过解 析法得到理论解，而工程中的问题大多比较复杂，这就可以借助于数值分析方法。已经 发展起来的数值分析方法中具有代表性的是有限差分法和有限元法。有限差分法的特点 是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。一个问题的有限差分求解步骤是：首先 将求解区域划分为网格，然后在网格的节点上用差分方程去近似微分方程。当采用较多 节点时，近似解的精度可以得到改进。借助于有限差分法，能够求解某些相当复杂的问 题，特别是求解流体力学问题。但用于几何形状复杂的问题时，它的精度将降低，甚至 求解失败。相比而言，有限元法更适合求解机构复杂的问题。有限元法的提出，是数值 计算方法研究领域内重大突破性的进展。有限元法的理论和步骤，将在下一章里详细叙 述。 由于数值模拟计算精度和可靠性高，其计算结果己经成为各类工程问题分析的依 据，各种商业软件动力有限元软件也逐渐发展起来，如s d r c 公司的i - d e a s 5 - 9 、l s t c 公司的l s d y n a 、m s c 公司的d y t r a n 、h k s 公司的a b a q u s 以及c e n t u r yd y n a m i c s 公司的a u t o d y n 2 d 3 d 软件。 ( 2 ) 动应力的试验研究方法概述 实验应力分析的基本方法有：电阻应变计测量技术、光弹性法、光弹性贴片法、动 态光弹性法、全息干涉法、散光光弹性法、光塑性法、全息光弹性法、散斑干涉法、云 纹法、焦散线法和脆性涂层法等【埘。 1 2 3 机车车辆结构动应力研究现状 动应力的研究与结构的疲劳强度研究密不可分，大多数学者对动应力的研究是为了 预测或计算结构的疲劳寿命。目前，国内外对机车车辆车体结构在动载作用下的动应力 分析方法涉及相对很少，主要原因是由于车体结构相对复杂和试验费用昂贵，主要运用 的方法是数值分析方法。 王文静等1 1 1 j 采用有限元软件a n s y s 建立了c w - 2 0 0 型转向架构架的柔性体模型， 在此基础上，利用动力学软件s i m p a c k 建立了完整的客车系统动力学模型，通过时域 积分，计算出系统结构的振动响应和各项动力学指标，把构架动态载荷重新引入a n s y s 中后得到构架各部位的应力分布云图以及关键部位的动态应力时间历程。这种研究方 法不仅实现了有限元计算与多体动力学分析之问的有效结合，而且完成了多体系统动力 学研究中刚体与柔性体之间的耦合，是构架设计新方法的尝试。缪炳荣等【1 2 l 提出一种多 体动力学仿真和有限元法相互结合进行结构疲劳寿命预测的方法，并以机车车体结构为 例进行了疲劳寿命计算。利用s i m p a c k 的多体仿真技术获得车体结构的动载荷历程； 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 在a n s y s 中利用准静态应力应变分析法计算结构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位置。最后，基于动应力历程以及 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 进行疲劳寿命预测，其中包括应力应变的循环计数、损伤预测和最终寿命估计。 1 2 4 机车车辆结构中关于纵向力的研究概述 目前，国内外对于纵向力的研究大概分为两种，一种是试验方法，即通过静置和线 路运行实验，测得纵向车钩力，此方法需要耗费很多的资金；另一种是对纵向动力学的 研究，例如讨论最大车钩力发生于列车的部位及数值，车钩力与时间、速度、车长等有 关因素的关系等等。我国5 0 0 0 t 级列车运行时，马大炜1 1 3 j 以5 0 0 0 t 货物列车运行试验结 果为基础，应用试验计算机仿真相结合的方法，对5 0 0 0 t 级货物列车最大纵向力研究结 果作了阐述。1 9 9 0 年5 月在大秦线西段，进行了我国万吨级重载列车静置制动和线路运 行试验，分析了万吨列车在起动、长大下坡调速制动运行以及紧急制动工况下列车的纵 向力及其规律，并与计算机模拟结果对比。这些研究结果为我国开行万吨列车减小纵向 冲动、防止断钩、保证安全运行提供了重要的科学依据1 1 4 1 。我国上海铁道学院分别于 1 9 8 8 年6 月和1 2 月在机械保温车上装置车钩载荷谱数据采集系统，编组货物列车，组 织了上海一深圳和上海一齐齐哈尔两条线路货物列车1 3 1 号车钩载荷谱的现车测试，编 制1 3 号车钩程序载荷谱，并在此基础上分析1 3 号车钩的疲劳可靠性【1 5 】。常崇义等1 1 6 j 根据l o c o t r o l 同步控制装置的原理，建立了l o c o t r o l 同步控制的数学模型，完成了2 万 吨重载组合列车纵向力计算的试验验证，分析了主控机车与从控机车的同步响应时间和 制动初速对重载组合列车纵向力的影响，得到了最大车钩力发生于列车的部位和最大车 钩力的数值。陆文飞，张有忱等1 1 7 l 针对5 0 0 0 t 级列车在制动工况下的纵向动力学分析， 详细论述了列车纵向冲动仿真建模的过程，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真模块中，计算出每节 车体的加速度及车钩力大小，为进一步分析并减轻列车纵向冲动提供了理论基础。 1 2 5 机车车辆结构中关于纵向力产生的动应力的研究概述 目前，对于机车车辆车体结构中关于纵向力产生的动应力的研究很少，本人至今尚 未见报道。在以往的动应力计算中，在动力学软件中参考美国轨道谱，但只是考虑垂向 激扰和横向激扰产生的动应力。在纵向方面一直没有完整的合适的激励，所以由纵向冲 动产生的动应力也无从研究。但是，列车的纵向力对安全性和经济性很不利，许多货物 列车的重大事故均和纵向车钩力有密切的关系。例如在机车牵引或低速缓解时会引起很 大拉钩力，当超过车钩的强度极限时就会发生断钩，列车分离；当压钩力过大时也有断 钩或挤压脱轨的危险，甚至导致脱轨和倾覆等车毁人亡的重大事故。此外纵向力导致的 横向分力、垂向分力也对列车的运行安全性有重大不利影响1 1 8 1 。因此，本文以大秦线万 吨列车试验的纵向车钩力作为纵向激励，建立重载货车c 8 0 b 型车体模型，旨在探索以 4 第一章绪论 数值计算的方法，获得车辆运行中车体受纵向力影响较大的部位及车体结构的关键部位 在动态纵向载荷的作用下产生的动应力。 1 3 论文的主要内容 第一部分：介绍了课题的研究意义和研究现状，阐述了文章所涉及的有限元理论。 第二部分：对目前车体设计中纵向力的加载情况和车辆在实际运行中车钩的真实受 力状态进行调研；建立了c 8 0 b 型车体结构有限元模型，对其受力状态进行分析并加载 到模型中；发现纵向力相对于其他力( 垂向力、横向力) 对车体的影响范围最大，对车 体在强度上影响最大。 第三部分：在空车和重车两种工况下，讨论随着静态纵向力的增大车体应力分布情 况和影响较大部位的应力变化情况；分析车体结构中对纵向力最为敏感的部位。 第四部分：介绍了车体动力响应分析的具体步骤，通过有限元软件i - d e a s 对车体 施加动态纵向载荷，分别获得空车和重车情况下车体在起动和紧急制动两种工况下关键 点的动应力时间历程，分析车体动应力达到最大时刻车体的应力分布情况，并与静态 纵向力对车体的应力分布情况进行对比，发现车体应力分布情况不同，并分析了产生不 同结果的原因。 第五部分：结合疲劳理论，分析在起动和紧急制动的情况下车体动应力幅值较大的 部位，从动应力的角度分析车体容易产生疲劳的部位。 本章小结 本章介绍了课题的研究意义，国内外重载货物列车的研究现状，介绍了纵向力和动 应力的研究现状，并简单介绍了论文的主要内容。 5 大连交通大学工学硕士学位论文 2 1 有限元法概述 第二章基本理论介绍 有限元法用于结构分析时是把整个结构分割成有限个假想的单元，单元之间仅在节 点处相连接，从而形成一个由有限个单元组成的组合体以代替原来的连续体实际结构， 并以节点位移来描述这些被离散出来的单元的力学特性，然后根据节点的变形协调和平 衡条件将这些单元重新结合在一起，由此建立一组以节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。其解题思路是先将结构分成许多单元，进行单元分析，然后 再将这些单元组合成原有结构进行整体分析。 弹性连续介质具有无限多个自由度，它的任意两部分之间相互连接的点也是无限 的。弹性力学问题的有限元法就是把弹性连续介质离散化为只在有限个结点上相互连接 的有限个单元，用这样一组有限个单元的集合体代替原来的连续体。由于这样一组单元 只在有限个结点上相互连结，因而只包含有限个自由度。作为基本未知量的可以是位移， 也可以是应力，也可以既有位移又有应力。 其计算步骤概括起来为【1 9 j ： ( 1 ) 结构的离散化：这是有限单元法的基础。所谓离散化就是将结构的区域分割成为 有限个单元，离散而成的有限单元集合体将代替原来的弹性连续体，所有的计算分析都 将在这个计算模型上进行。因此，网格划分将关系到有限元分析的速度和精度，甚至计 算的成败。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。除了杆单元外，平 面问题常用的单元有简单的三角形单元、轴对称三角形环单元、矩形单元、八节点任意 四边形单元以及曲边形单元。空间问题常用的单元有四面体单元、长方体单元、任意六 面体单元以及曲面六面体单元等。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 ) 选择单元位移模式：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 移的分布作出一定的假设，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。在有限单元法中，普遍地选择多项式作为位移模式，至于多项式的 项数和阶数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。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。 6 第二章基本理论介绍 ( 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：利用几何方程导出用节点位移表示单元内任意一点 应变的关系式；利用物理方程，由应变的表达式导出用节点位移表示单元应力的关系式； 利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系。 ( 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。移置的方法是按照虚功等效的原则，即原来作用在单元上的载荷与移置到节 点上的等效载荷，在单元的任何虚位移上所做的虚功应相等。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。 ( 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；二是将作用于各单 元的等效节点力集合成总的载荷列矩阵。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。 ( 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，消除总刚度矩 阵的奇异性，就可求得节点位移。求解总刚度方程也就是把各个单元的刚度矩阵集合成 整个连续体的刚度矩阵，把各个单元的节点力矢量集合为总的力和载荷矢量。 ( 7 ) 计算单元应力并整理计算结果：利用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。对于非线性的问题，也基 本遵循以上步骤，在实际工作中，上述有限元分析只是在计算机软件处理中的步骤( 有 限元程序) ，要完成工程分析，还需要更多的前处理和后处理过程。由于非线性可分为 状态非线性、材料非线性和几何非线性，所以上述处理过程将随着不同的非线性类型而 产生一定的变化。不过，求解过程大多都是逐步修正刚度矩阵或载荷列阵，通过求解线 性方程组来近似计算。 2 2 复杂结构的有限元分析方法 车辆结构是一个复杂的结构，它可以划分为许多单元，每一个单元的主要力学行为 ( 位移、应力、应变等) 都可由此单元边上节点的位移来描述。于是整个结构的力学行 为可以由所有节点的位移来描述。这种未知的位移通常有几千、几万甚至几十万个。因 此必须应用计算机，借助于矩阵代数的数学工具才能求出所有节点上的数值解。显然， 一个最基本的问题是研究如何将单元的力学行为用它边界上的位移来表示，其核心就是 7 大连交通大学t 学硕士学位论文 建立单兀的刚度矩阵。对动力问题来说，还应建立质量矩阵和阻尼矩阵。下面介绍弹性 体运动方程的建立过程。 虚功原理表示为如- f y d 式【1 9 】 砌= 职+ 矾 ( 2 1 ) 其中，6 u 为由虚位移所引起的结构应变能的改变，北为作用在结构上的外力在 虚位移上所作的虚功，眠为惯性力所做的虚功。对于离散弹性体中的任意有限元，假 定单元中任一点的位移列向量为： f u1 d 。) = v 【w j ( 2 2 ) 在动力问题中，位移u 、v 、w 均为时间的函数，对于线性弹性体，单元应变能为 u 专驴) r p 吲驴厂陋拈杪 ( 2 3 ) 其中v c 为单元体积；p 为单元应力列向量；t ) 为单元应变列向量；【d 】为弹性常 数矩阵；根据达朗贝尔原理，单元中单位体积的惯性力可表示为： 亿) = 一p # 。 ( 2 4 ) 其中p 是材料的密度，弘e ) 为加速度列向量，因此整个单元的惯性力所做的虚功就 可表示为 5 w 一一瞬毡l 南e d v ( 2 5 ) 另外，单元还可能受到如下三种类型的外力的作用，分别为：阻尼力、体积力和表 面力。采用粘滞阻尼假定，若c 为粘滞阻尼系数，则单元内单位体积的阻尼力为： 惦 一督。 ( 2 国 其中p e j 为速度列向量。单元外力虚功可表示为： 翮ei i 髓6 毡冀c 毡、+ i 链6 毡冀嬉a w + s 1 6 嬉l 嬉 舔 虬 ( 2 7 ) 其中， f v 为单元体积列向量； f s ) 为表面力向量；根据有限元理论，单元位移场 可由出1 2 1 节点位移来表示，即 仁。) = 酗 ( 2 8 ) 式中， d ) 是单元出口节点位移列向量，【川是形函数矩阵，因此，单元速度场和加 速度场可分别表示为 8 第二章基本理论介绍 p 。 ；【船 饥 ： 略 单元应变场和单元出1 2 1 位移列向量的关系为 t ) 一陋 其中b 是应变一位移转换矩阵。将式( 1 3 6 ) - - ( 1 4 0 ) 代入上面u 、 式中，有： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 矾及北的表达 阽抄妒如怫y ) 料 亿蚴 氓刊叫驴防】r p y 陋 ( 2 1 3 ) 彤一6 p f ( j 矿 r p y 户) + 6 仁尸矿】r 慨弦矿+ 6 p y 庐s f 】r 忆沁 ( 2 1 4 ) 对单元应变能进行变分，并利用弹性常数【d 】的对称性，有 6 u = 6 叫胪】r d p p y 陋 ( 2 1 5 ) 将式( 1 4 2 ) 一( 1 4 4 ) 代入虚功原理表达式( 1 2 9 ) 中，有 埘i s o i b l y 卜却，眵 】r 抄 埘伊】r 慨k y 卜) r 】r 忆凇卜y 眵 m y 心问 引入下列符号： 陆。】= 胪t d p p 矿 k 。】= 胪 了 p y c 。】= f f f c u rj u i c y 仉) = 胪了慨扫y + 庐r 依灿 9 大连交通大学- 学硕七学位论文 陆。】是单元刚度矩阵：k 。】是单元质量矩阵； c 。】是单元阻尼矩阵；仉) 是单元节点 力向量。代入式( 1 4 5 ) 并整理得： k 。戤 + c 。强) + k 。取 一仉) ( 2 2 1 ) 式( 1 5 0 ) 即为结构中任一有限元的运动微分方程式。单元刚度阵、质量阵和阻尼 阵往往是在特定的局部坐标系统中描述的，不能直接用于结构总刚度矩阵、总质量阵和 总阻尼阵的装配，所以推导出总体坐标中的单元刚度阵、质量阵、阻尼阵及外力列向量 分别为： 匠】= p 】r 陆。f 】；k 】。p 】r k 。f ；e 一p 】r 【c 。i r ：抗) ；i r i s i , )( 2 。2 2 ) p 是单元出口节点位移向量在局部坐标系和整体坐标系之间的转换阵。 如此便可组装总刚度阵、质量阵、阻尼阵及节点力向量。假定结构有p 个单元，节 点位移总数为n ，结构总位移向量为 p ) 对应的单元刚度阵k 、质量阵阮】、阻尼阵e 】 及节点力向量佤) 都扩展为n 维，分别记为瞳。】、【厨。】、e 】和使) ，则总体刚度阵k 】、 质量阵 m 】、阻尼阵【c 】及节点力向量 f 可写为： k 2 耋k 】；m 】2 砉昕“； c 】2 耋匮】； f 2 羹使) ( 2 为) 则整个结构体系的运动方程则可表达为： 瞳p + 【c p j + k 物) 一 ， ( 2 2 4 ) 一般来讲，实际的工程结构总是有约束的，而且边界条件非常复杂，总位移向量 d ) 中的位移不都是独立的。阻尼也是影响结构动力响应的重要因素。由于在实际工程中， 粘滞阻尼的分布是很难确定的，对于均质材料结构，一般可采用正交阻尼阵。 本章小结 本章主要进行了如下工作：介绍了有限元法的原理及基本步骤，并对于本文车体的 复杂结构的有限元分析方法理论知识进行了介绍。此章为论文后续的分析做好了理论铺 垫。 1 0 第三章模型的建立及静强度分析 3 1 概述 第三章模型的建立及静强度分析 对结构进行有限元分析的一个重要前提就是要建立准确而合理的结构有限元模型， 对于机车车辆结构来讲，结构比较复杂，所以选择什么样的建模软件是一个比较重要的 环节。目前能够进行有限元建模的工具比较多，各种软件均具有自己独特的功能和侧重 点。本文选用有限元分析软件是i - d e a s 对车辆各主要部件进行建模。i - d e a s 是集成 工程领域所需功能于一体的综合性软件，提供了造型设计、有限元结构计算等强大的虚 拟仿真性能。 由于本文的重点是研究动态纵向力对车体的影响，不是对车体进行静强度分析，但 为了了解纵向力相对于垂向力和横向力对车体在结构和强度上的影响，了解车体的受力 状态，为进一步分析静态纵向力对车体的影响作基础，更是对比静态纵向力和动态纵向 力对车体产生影响的前提。 3 2e 8 0 。型敞车介绍 ( 1 ) 主要性能 随着国民经济的发展，大秦铁路的煤炭运输能力亟待提高。为实现大秦铁路提出的 年运量2 亿吨目标，实现铁路跨越式发展，满足大秦铁路开行2 万吨列车的要求，需求 一批自重轻、载重大的专用运煤敞车。c 8 0 a 型敞车为运煤专用敞车，其结构性能适应2 万吨重载列车运输要求。可与相应的港口码头拨车机、定位机和翻车机配套使用，可实 现不摘钩连续翻卸作业，并能适应环形装车、直进直出装车和解体装车作业。 ( 2 ) 主要参数 载重 8 0 t 自重 2 0 t + 1 轴重2 5 t 容积848m3 比容1 0 6 m 3 t 换长1 1 自重系数 0 2 5 每延米重833tm 通过最小曲线半径 1 4 5 m 商业运营速度1 0 0 k m h 空车重心高1 0 1 1 m m 大连交通大学工学硕士学位论文 制动距离( 重车、紧急) 1 4 0 0 m 限界：符合g b l 4 6 1 1 9 8 3 标准轨距铁路机车车辆限界的规定 ( 3 ) 主要尺寸 车辆长度 1 2 0 0 0 m m 车辆定距8200mm 车辆最大高度( 空车) 3 7 6 7 m m 车辆最大宽度 3 2 8 4 m m 门孔尺寸( 高宽) 9 5 0 m m 7 4 8 m m 车钩中心线高( 空车) 8 8 0 m m ( 4 ) 车体结构方案简介 该车车体为有中梁、平地板全钢焊接结构，主要由底架、侧墙、端墙、撑杆和车门 等组成。与货物接触的侧、端墙主要型材、板材及地板采用屈服强度为3 4 5 m p a 的t c s 3 4 5 不锈钢，底架( 地板除外) 主要型材、板材采用符合运装货车( 2 0 0 3 ) 3 8 7 号文件批准 的q 4 5 0 n q r l 高强度耐候钢。 底架 底架由中梁、枕梁、大横梁、小横梁、纵向梁、地板等组成。采用符合运装货车( 2 0 0 4 ) 2 6 4 号文件要求的屈服强度为4 5 0 m p a 的冷弯中梁，c 级铸钢的整体式上心盘及冲击座 与牵引梁组焊在一起，上心盘直径为3 5 8 m m ；枕梁为双腹板箱形变截面结构，大横梁 为单腹板工字形组焊梁，与侧柱相连的小横梁为工字形组焊梁，其他位置的小横梁及纵 向