（车辆工程专业论文）基于ansys的铝合金车体结构有限元分析研究.pdf

中文摘要 摘要：在交通运输市场竞争激烈的今天，铁路高速化是当今世界发展的潮流和 必然趋势。在高速铁路技术中，高速动车组占有十分重要的地位，而高速动车组车 体承载结构轻量化的磷究也就成为不霄缺少静一部分。车体结构轻量化主要是选 用轻型结构材料及合理的设计得以实现。 本文简单介绍了长春轨道客车股份有限公司生产的c r h 5 动车组头车车体结 构特点和铝合金材料熬力学性能，并通过有限元法对车体结构进行分析计算。首 先，利用厂方提供的图纸对头车车体结构进行分析和简化，建立其分析的力学模 型；然后，依据e n l 2 6 6 3 的有关规定对车体模型进行了静强度工况、疲劳工况、 惯性载荷工况、气密强度工况等2 1 种工况的计算分誊厅， | 导出备部件在各；f 孛王况下 的受力和变形情况；最后，在整车分析的基础上，运用子模型方法对车体主要的 应力集中部位( 司机门门角等) 进行局部应力分析，得到这些部位的应力分布情 况。计算结果为车体结构的合理设计提供依据。 在研究课题中，还对复杂结构的合理简化、约束和相载方式的处理、不同单 元的连接以及子模型法的应用范围和使用技巧进行了一定的探讨，研究成果对结 构复杂、规模庞大、涉及多种单元的有限元分析具有一定的启示作用。同时子模 型法在锅合金车体结构分析中的成功应用，为今艨车体结构的有限元分析提供了 一种有效的思路和方法。与传统计算方法相比，其计算精度能够满足工程要求， 同时又能降低工作量、节省大量时间。 关键词：动车组；铝会金车体；有黻元；强度分析；体壳连接；子模型方法 分类号：u 2 7 0 1 ；u 2 7 1 9 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h em a r k e to ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nh a st h ef i e r c ec o m p e t i t i o n i nn o w d a y , h i g h s p e e dr a i l w a yi st h er a i l w a y sd e v e l o p m e n t a lt r e n d t h eh i g h - s p e e d t r a i n ( e m u ) h 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 n t h eh i g h s p e e dr a i l w a y t e c h n o l o g y , a n dh o wt ol i g h t e nt h el o a db e a r i n gs t r u c t u r eo ft h ec a rb o d yb e c o m ea l l i n d i s p e n s a b l ep a r t t h el i g h t e n i n gd e s i g no ft h ec a rb e d ys t r u c t u r ei sr e a l i z e db yu s i n g l i g h t - s t r u c t u r a lm a t e r i a l sa n dr e a s o n a b l ed e s i g n i nt h i sp a p e r , t h eh e a d - v e h i c l ec a rb o d yo fc r h 5m a d eb yc h a n g c h u nr a i l w a y v e h i c l e s 。l t da n dt h ep r o p e r t i e so fa l u m i n u m - a l l o ym a t e r i a la r ei n t r o d u c e d 。a n dt h e c a rb o d ys t r u c t u r ei sa n a l y z e db yf e m f r i s t , s e tu pb o d ys t r u c t u r ef i n i t ee l e m e n tm o d e l b yu s i n gt h ed r a w i n g sp r o v i d e db yt h ef a c t o r y t h e n ，a n a l y z e dt h ec a rb o d yf em o d e l b ya n s y s u n d e rs t a t i cl o a dc a s e , f a t i g u el o a dc a s e ，i n e r t i a ll o a dc a s e , a i rs t r e n g t hl o a d c a s ea n ds oo n , t w e n t y - f i r s tl o a dc a s e s , a c c o r d i n gt oe n l 2 6 6 3 ，t og e tt h es t r e s s d i s t r i b u t i o no fc a rb o d y a tl a s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fw h o l ec a r - b o d y , t h e s u b m o d e l i n ga n a l y s i sm e t h o di su s e dt os t u d yt h el o c a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o na n ds t r e s s d i s t r i b u t i o no ft h ei m p r o t a n tp o s i t i o n s ，s u c h 勰t h ec o n n e ro fd r i v e rd o o r t h er e s u l t s p r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rt h er a t i o n a ld e s i g no f t h ec a r - b o d ys t r u c t u r e t h ep a p e ra l s od i s c u s s e ds o m ep r o b l e m s u c h 鼬t h ep r a c i t i c a ls i m p l i f i c a t i o no f c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e , t h ed i s p o s a lo fc o n s t r a i n ta n dl o a d i n g ，t h ec o n n c e t i o no fd i f f e r e n t k i n d so fe l e m e n t s ，a n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p ea n dt h es k i l lo ft h es u b - m o d e l i n gm e t h o d 。 t h o s ed i s c u s s i o n sc a np r o v i d et h er e f e r e n c ea n db e n e f i c i a lh e l p ，f o rt h ef e aw h i c h u e s dm a n yk i n d se l e m e n to fc o m p l e xa n dh u g es t r u c t u r e s u c c e s s f u l l ya p p l i e d s u b - m o d e l i n gm e t h o di nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fa l u m i n u m a l l o yc a r - b o d ys t r u c t u r e , a n db r i n go u tap r a c t i c a lm e t h o df o ra n a l y s i so ft h ec a r - b o d ys t r u c t u r eh e n c e f o r t h t h e m e t h o dc a ns a t i s f yt h ee n g i n e e r i n gr e q u e s t ，a n ds a v ec o m p u t i n gt i m e k e y w o r d s ：e m u ；a l u m i n u m - a l l o yc a rb o d y ；f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ； s t r e n g t ha n a l y s i s ；s o l i d s h e l lc o n n e c t i o n ；s u b - m o d e l i n gm e t h o d c l a s s n o ：u 2 7 0 1 ；u 2 7 1 9 1 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= 艺衷交通大学可以将学位论文静全部或部分志容编入有关数据瘁进行检索， 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耀本授权说明) 学位论文作者签名：晏 二易、 签字日期：钾年 ；月矗翻 导师签名： 聋导砟 签字日期：弘尊矿年，月局日 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，也不包含为获褥北京交逶大学或其链教育杭鞫戆学位或证书 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赏献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 呈久：- 建， 签字日期。驴。矿年易月汐网 致谢 本论文从选题、研究方向制定、研究内容到论文撰写和定稿的整个过程都是 在导师宋永增副教授的悉心指导下完成的。同时在这期间，每当我遇到困难的时 候，宋老师总能为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，并且还鼓赫我不言放弃。 宋老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和 激励着我，使我终生受益。在两年的研究生学习中，宋老师不仅在学业上给我以 精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此向饱表示最真挚 的感谢和崇高的敬意! 另外还要特别感谢谢基龙老师、王文静老师和王明杰师兄在百忙之中给我提 供了许多帮助和宝贵的意见。 感谢和我一起度过两年研究生生活的硕0 6 0 5 班的所有同学，正是由予你们鲍 帮助和支持，以及在生活上的关心，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本 论文的顺利完成。 最焉我在诧还要感谢含辛茹苦把我养大的父母，是他们在物质上和精季枣上一 直默默支持我，让我顺利完成学业。 第一章绪论 l 。1 课题的研究背景和意义 在交通运输市场竞争激烈的今天，铁路高速化是当今世界发展的潮流和必然 趋势。自1 9 6 4 年日本建成并正式投入商业运营的世界第一条高速铁路之后，法国、 德冒、嚣班牙、意大剩等国都先藉新建了耋己的高速铁路系统，并实现了既有线 路的连网运行，而高速铁路的主要载体就是高速动车组。动车组将以其高速、舒 适、安全、灵活、方便的优势，成为铁路客运的主力军。我国铁路虽然经过了六 次提速，但是相对子圆民经济的高速发展对铁路运输的需求，仍显不足；并且我 国地域辽阔，铁路运输在各种运输方式中占重要位置。我国铁路发展提出了跨越 式发展的思路，客运高速，货运重载。从2 0 世纪9 0 年代到本世纪初，是我国动 车组迅速发展阶段。 动车组车体结构是动车组的主体，丽动车缀车体结梅设计不同于我国现行普 通的客车车体结构设计。为了满足高速列车运用的要求，对车体结构的要求也更 加严格n 1 ：第一是因为高速列车进入隧道时压力波动明显增加，所以需要强化车体 结构；第二是随着意速化、现代化的实现，需要增加许多设备，安装在车体上； 第三是由于提高了车速就会增加对线路的振动；第四是随着车速的提高，单位重 量需要的功率就会增加。前两项来看需要增加车体的强度，而从后两项来看需要 努力减轻车辆自重。因此车体承载结构轻量化就成为一个极为重要的研究课题。 由于车体承载结构在动车组车体毒重中占有相当大酶比重，所以其轻量优是减轻 车辆自重有效途径。在保证车体结构强度要求以及高寿命的安全度和可靠性要求 的前提下，尽量减轻车体自重，以满足车体轻量化要求。车体辍量化设计的主要 方法有淄： ( 1 ) 合理的结构设计 改变车辆结构参数，采用矮车体并采用鼓形断面等方法，以实现轻量化。如 e t r 4 6 0 车体采用新型车体断面设计，其结构完全跳出传统模式，其车体质量降至 7 5 吨。 ( 2 ) 采用轻量化的材质 采用新型轻量化的材料，以减轻车体重量。由于铝合金比重小，容易实现车 体的轻量傀指标，霉翦匿终高速列车车体主要瘸材倾向于铝合金。此外铝含金可 以方便地生产成大型挤压铝型材，车体制造工艺得到极大简化。随着大型铝合金 中空挤压型材的开发及焊接技术的不断改进，组装和焊接件的数量逐渐减少，使 其成为客车率体制造的首选型材。 舀前我国在高速列车车体结构设计方面，虽然进行了大量研究，并取得了较 大的进步，也设计了中华之星等高速列车，健与世界先进技术褶比，还有缀大差 距。尤其是在车体结构有限元分析方法方蔼，两这也是车辆实现轻量化的关键步 骤( 如图1 1 所示) 。通过车体结构有限元分析可以得到车体应力应变分布状态， 通过修改设计，改变结构构件的截面尺寸，在满足车体结构强度和刚度的前提下， 实现车体减轻叁重，缩短设计髑期，提高设计质量和经济效益。本文憝以长春轨 道客车股份有限公镯生产酶c r h 5 动车维头车车体力蓝本，通过率体结构的有限 元分析，研究车体结构设计的先进技术及合理结构，以减轻车体自重和改善车体 受力性能为瑟静，为我国自釜化研制和开发先进的动车缀车俸提供一定借鉴；同 时研究成果瓣结构复杂、魏模庞大、涉及多耪单元麓有隈元分拆也具有定鲍窟 示作用。 露1 1 裔限元分撬在车体缝稳设诗孛的捧蔫 f i g 1 - 1t h er o l eo f f ea n a l y s i si nt h ec a rb o d ys t r u c t u r ed e s i g n l 。2 有限元技术在车体结构设计中的应用 过去，机车车辆承载结构强度分析主要采用材料力学、结构力学、弹性力学 等的计算方法，计算工作量大而且精度不高。而有限元技术最初应用在轨道车辆 上也只是黠攀体结梅进行蔼单的静态特性分柝，俸为孰道车辆车体结构设计熬初 步依据。随饕有限元理论的不断成熟，计算枫软硬件的发展以及各种功能完备的 大型商业软件的出现( 如a n s y s 、a d i n a 等) ，使解题规模和求解精度都大大提 离，车体承载结构强度分析方法现在主要采鬻有限元法。车俸结椽有限元分辑是 车体结构设计的主要内容之一。圊时有限元技术也被应用于车俸结构的优诧设计 和动态特性分析等领域，而动态特性分析一般是进行模态分析，获得率体结构的 固有频率及相应的振型，同时可作为优化的强标或约束。 隧前鞔道车辆有限元分橱的大型商监软件主要是a n s y s ，该较彳譬功能强大， 能够完成复杂工程问题的计算。透过a n s y s 软件对车体结构进行有限元分析计算， 2 以车体重量最轻和改善车体整体受力性能为虽拣，分析车体在运行过程中所处的 载荷，确定零部件在安全性和耐久性条件下所允许的最大应力和应变，判断零部 件是否满足设计要求，以检验设计的合理性，同时提出结构优化的方案，使整个 车体满足实际运用和囡家相关标准对车体强度的要求。 1 3 本文的研究内容和方法 重3 。1 研究内容 c r h 5 动车组头车车体规模庞大，车体尺寸长、宽、高分别达2 5 m 、3 2 m 和 2 7 m ，同时铝合金车体结构和受力状况复杂，如果采用传统的设计检验方式，工 作量大，计算精度难以满足工程要求。在这种情况下，采用有限元法对其结构进 行分析是合适和必要的。 本文将对复杂结构的合理简化、约束和加载方式的处理、不同单元的连接以 及子模型法的应用范豳和使用技巧进行探讨。这种研究，对结构复杂、规模庞大、 涉及多种单元的有限元分析具有一定的启示作用。另外本文还将对车体有限元模 型网格划分的技巧和全板壳模型计算精度的控制等问题进行简单的讨论( 详见 2 3 。4 节) ，为今后同类型车体结构有限元分析傲蹴一些有益的探索。 具体的研究内容是以长春轨道客车股份有限公司生产的c r h 5 动车组头车车 体为研究对象，运用有限元法和a n s y s 软件，以s h e u l 8 1 板壳单元为主体建立有 限元模型，并对其结构进行如下分析： ( 1 ) 整车分毒蓐：依据e n l 2 6 6 3 标准，确定车体在2 1 种载祷工况下整体的受力 和变形情况，分析车体结构设计的合理性和车辆憨体的受力性能。 ( 2 ) 局部分析：以燕车分析结果为基础，对司机门门角等主要应力集中部位进 霉亍局部细化分析，为防止发生失效破坏和局部结构改进提供理论依据，同时减少 整车分析模型的计算规模。 1 3 2 研究方法 本文主要是以有限元法为基础，运用a n s y s 软件建立车体的有限元模型并依 据e n l 2 6 6 3 的有关规定对车体结构进行了2 1 种工况的计算分析，其中质量不好的 网格将在h y p e r m e s h 中进行修改。 在整车分析时，通过不同加载方式的比较分析，我们发现将车辆设备全部采 用质点单元的形式进行加载，可以大大简化分析过程，减少工作量。同时为了协 3 调不同单元的自由度，本文对体壳单元的连接闻题进行讨论，通过各种方法的综 合比较，选取一种最优的方法( 复合单元法) 实现体壳单元的连接。另外我们还 选取s u r f l 5 4 表面效应单元为辅助单元，实现在壳单元表面施加任意方向的面载 荷，并且不增加模型规模。 在髑部分析时，以整车分析结采为基础，本文利用子模型方法对司机门门角 等主要应力集中部位进行二次细化分析，更精确地了解局部结构应力高低阶梯分 布，同时也很好地解决解题规模和精度与计算机资源限制的问题( 对于规模庞大 的车体结构有限元诗算模型，这个闻题是必须考虑) 。其中建立子模型的方法可以 根据每个入的不同习惯和实际问题的要求建立，但是需要注意的是子模型的位置 与整体模型的相应部分的位置必须相同( 相对总体坐标原点) ，本文采用在 h y p e r m e s h 中删除其它部分直接留下子模型部分的方法来建立予模型。为了使子模 型切割边界的验证过程变得直鼹、方便，我们采用等僮应力云图显示和路径显示 的方法来验证切割边界是否合理。 4 第二章铝合金车体有限元模型的建立 2 1 铝合金车体结构和材料特性 2 1 1 车体结构简介 该车体结构为中空铝合金挤压型材焊接结构，由底架、侧墙、车顶、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 1 所示。车体底架、侧 墙和车顶三大部件之间的连接形式为对接、坡口焊。底架、车顶和侧墙的中间型 材相互间通过插口对接在一起，而焊接收缩量由车顶或底架边梁与中间型材间的 调整量满足。整个车体结构是一个管状结构，断覆采用了符合空气动力学的鼓形 断面，傻车体具有低重心、低运行阻力和良好的动态包络线等特性，以提高车体 的动力学性能和曲线通过能力。铝合金车体的主要技术参数如下： 最高运行速度： 车体长度； 车辆宽度： 车辆定距： 孰距； 车体高度： 车体重量： 车体自重+ 载重+ 车体整各重量： ( 1 ) 底架 2 0 0 k m h 2 7 6 0 0l - n l n 3 2 0 0n - l r n 1 9 0 0 0 m m 1 4 3 5l l l r n 3 7 3 0 n n 8 6 5 4k g 4 6 9 8 4 k g 底架由焊接构架、端部缓冲梁组成、枕梁刚性支座、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。为最大减少构件的焊接，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。 底架牵枕缓梁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 铝合金。其中枕梁由焊在底架边梁上的8 个枕粱座组成，枕粱座由型材机加王丽 成。 端部缓冲梁组成有中间车的端部缓冲梁组成和头车的空气动力学端部结构两 种。其中中间车的端部缓冲梁由端粱、4 根牵引粱、围板等组成，采用6 0 8 2 t 6 铝 合金。 ； f 部的端部缓冲粱由9 种2 5 块型材和两种铝板经过枧加工后焊接组成。它 包括前端墙、侧板、盖板、牵引梁、排障器支座等部件。材料除了前端墙和盖板 5 为6 0 0 5 a t 6 外，其余均为6 0 8 2 t 6 。 图2 1 车体结构分解图 1 、头车的空气动力学端部2 、底架3 、侧墙 4 、内端墙5 、车顶6 、外端墙 f i g 2 - 1 c a rb o d ys t r u c t u r ed e c o m p o s i t i o nm a p 1 a e r o d y n a m i c se n do ft h eh e a db o d y2 c h a s s i s 3 s i d e w a l l 4 i n s i d e t r a n s v e r s a lw a l l5 c u r v e dr o o f6 e x t e r n a l t r a n s v e r s a lw a l l ( 2 ) 侧墙结构 侧墙采用4 种纵向放置的蒙皮厚度为2 5 m m ，内筋板厚度为2 5 r a m 的中空挤 压型材( 总厚5 0 m m ) 组成，型材材质为6 0 0 5 a t 6 。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，同时为了降低窗角应力，窗角外侧 半径为1 7 0 m m ，内侧半径为1 8 0 m m 。 ( 3 ) 车顶结构 车顶为自承载结构，采用4 种( 共7 块) 纵向放置的蒙皮厚度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 2 t 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 6 加强筋等。 综上所述，该车体主要有以下几个结构特点： 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 既能有效的传递缴商力，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，增 大了车体整体结构刚度，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 的的特色技术之一。头车的前端预鼹了安装耐撞击吸能结构支架，在需要时可以 安装吸畿元件。 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。 2 1 2 车体材料特性 该车体型材所选用的材质力合金6 0 0 5 a 、合金6 0 8 2 、和合金6 10 6 三种。车体断面 为合金6 0 0 5 a t 6 ，底架下部型材大部分为合金6 0 8 2 t 6 ，仅端墙的一块型材采用合 金6 1 0 6 t 6 。所用不