（车辆工程专业论文）tpb车体有限元分析与车下设备布局优化研究.pdf

北京交通大学硕十学能论文 中文摘要 中文摘要 摘要：本论文主要研究工作由两部分组成，一部分对高速列车t p b 车体进行有限 元强度和模念分析；另一部分对t p b 车下设备进行布局优化。 在高速列车t p b 车体强度和模态的有限元分析中，针对高速列车为大型中空 铝合金挤压型材车体，结构比较复杂的特点，在分析时，对结构进行了适当和必 要的简化，并忽略对车体结构强度和刚度计算影响较小的一些因素。在大型通用 有限元分析软件a n s y s 中对车体进行强度和模态分析，计算结果符合欧规9 标 准和国际铁路联盟标准u i c 5 6 6 的相关要求。 车下设备布局优化以结构优化设计理论和方法为基础，利用优化软件i s i g h t 驱动h y p e r m e s h 和a n s y s 软件对车下设备进行布局优化设计。其中 h y p e r m e s h 用来移动底架9 个悬挂设备的位置，a n s y s 用来对移动后的模型进 行仿真计算。在循环过程中不断修改设计变量，直至搜索到满足条件的最优设计。 本论文的研究成果对国内高速列车的强度和模态分析，以及布局优化的深入 研究和应用，提供了一定的参考价值。 关键词：高速列车；有限元分析；模念分析：结构优化；实验设计：优化算法 分类号：u 2 7 2 ，3 北京交通大学硕+ 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sc o m p o s e do ft w oa s p c e t s ：o n ei st h ef e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) o fs t a t i cs t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dm o d a l i t yo ft h eh i g l ls p i e d v e h i c l et p b ；t h eo t h e ri st h eo p t i m i z a t i o no ft h el a y o u to fb o t t o ms u s p e n s i o n e q u i p m e n t s 矗) rt p b i nt h ef e ao fs t a t i cs t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dm o d a l i t yo ft h et p b b o d y s h e l l ，a st h e s t r u c t u r eo ft p bb o d y s h e l li s c o m p a r a t i v e l yc o m p l e xa n dw a sm a d eo fl a r g e - s c a l e h o l l o we x t r u d e da l u m i n u ma l l o y e ds e c t i o n a lm a t e r i a l ，t h es t r u c t u r ew a ss i m p l i f i e d p r o p c r | ya n dn e c e s s a r i l yi nt h es t r u c t u r a la n a l y s i s s o m ef a c t o 糟w e r ea l s oi g n o r e d w h i c hh a dl i t t l ei m p a c ti nt h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dm o d a lc o m p u t a t i o no ft h et p b b o d y s h e l i t h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dm o d a l i t yw a ga n a l y z e db yt h ep o p u l a rs o f t w a r e a n s y s t h er e s u l t sm e e tt h ee u r o p e9s t a n d a r da n d i n t e r n a t i o n a | u n i o no fr a i lw a y s s t a n d a r du i c 5 6 6 1 1 l eo p t i m i z a t i o no ft h el a y o u to fb o t t o me q u i p m e n t si sb a s e do ut h et h e o r i e sa n d m e t h o d so fs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n t h eo p t i m i z i n gs o f t w a r ei s i g h tw a su s e dt od r i v e s o f t w a r eh y p e r m e s ha n da n s y st oo p t i m i z ea n dd e s i g nt h el a y o u to fb o t t o m e q u i p m e n t s h y p e r m e s hw a su s e dt oc h a n g et h ep o s i t i o no fn i n es u s p e n s i o n e q u i p m e n t so f t p bb o d y s h e l ia n da n s y s t od ot h ee m u l a t ec o m p u t a t i o nf o rt h em o d e l a f t e rb e i n gc h a n g e d i s i g h tw i l ld r i v eh y p e r m e s ha n da n s y sk e e pa l t e r i n gt h e d e s i g nv a r i a b l e s i nt h ec i r c u l a t i o nt i l li tf i n dt h e b e s ts o l u t i o nw h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n t s 1 1 1 er e s u l t sh a v es o m er e f e r e n c e dv a l u ef o rs t a t i cs t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dm o d a l a n a l y s i so fn a t i o n a lh i g h s p e e dt r a i n ，a sw e l la st h ef u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni n o p t i m i z a t i o no f t h el a y o u to f b o t t o ms u s p e n s i o ne q u i p m e n t s k e y w o r d s ：h i 曲p e e dt r a i n ；f e a ；m o d a la n a l y s i s ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ；d o e ； o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m c l a s s n o ：t j 2 7 2 3 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：剂l 啦 签字e 1 期：j 1 年f 工月1 1e l 导师签名： 喙撕 签字日期： o g 年i 明i r 同 北京交通大学硕十学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所晕交的学侥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：荆j l i 辛乏签字日期；卵7 年p 月1 7 日 致i 身 本论文的工作是在我的导师吴作伟副教授的悉心指导下完成的，吴作伟老师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年 来吴作伟老师对我的关心和指导。 悉心指导我们完成了实验室的科研工作。在学习上和生活上都给予了我很大 的关心和帮助，在此向吴作伟老师表示衷心的谢意。 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，余成树师兄、索雪峰师兄、张家雄师弟、过 海霞师妹、刘亮飞师弟等同学对我论文中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。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通人学硕士学位论文 1 绪论 1 i 论文的研究背景和意义 1 绪论 2 0 0 7 年4 月1 8 日，开始实施的铁路第六次大提速，在京沪、京广、京哈、浙赣、 陇海、胶济、广深等干线，成功开行时速2 0 0 公里及以上的动车组，标志着我国铁 路既有线提速达到了世界先进水平。大提速战略是铁路发展战略的重要创新，它 的成功实践，大大加快了中国铁路现代化的历史进程：第六次大提速在中国铁路 发展史上具有划时代的里程碑意义，对和谐社会建设和世界铁路既有线提速具有 重要影响。 高速列车发展不仅是铁路现代化水平的重要体现，也是一个国家科学技术发 展水平及综合国力的象征之一。目前，国际高速列车的最高运行速度为 3 0 0 k m h - - - 3 3 0 k m h ，试验最高速度达5 7 4 8 k m h ，高速列车技术水平发展最高的高 速列车，有法国的t g v 和a v g 、德国的i c e 、意大利的e t r 、西班牙的a v e 和 t a l 9 0 3 5 0 、韩国的k t x 和k h s 以及同本的新干线0 1 。 为了发展我国的高速列车，采用引进国外先进、成熟、经济、实用、安全、 可靠的时速2 0 0 公里高速列车的设计、生产、制造等技术，以满足我国铁路客运专 线和既有线上提速的要求。通过引进、消化、吸收以及自主创新的方式，提高我 国的高速列车技术总体水平和综合实力。 目前我国j 下式运行的2 0 0 k m h 动车组有c r h l 、c r h 2 和c r h 5 三种车型。其中 c r h i 动车组是一种全面采用先进技术、现代化的动力分散型电动车组，由青岛四 方庞巴迪鲍尔铁路运输设备有限公司( b s p 公司) 生产制造。c r h 2 动车组以日本 的e 2 1 0 0 0 型动车组为原型车，通过全面弓l 进设计制造技术。由四方股份公司制造 生产。c r h 5 型动车组是以a l s t o m 公司的s m 3 型动车组为原型车，通过全面引进 设计制造技术由长客股份公司在国内制造生产。 本论文主要对铁道部从法国阿尔斯通公司引进的高速列车t p b 车体，进行强度 和模念分析，达到消化、吸收国外先进高速列车技术的目的。并为车体结构的改 进奠定基础，为试验测试提供指导作用，更为今后自主创新设计、生产国产化高 速列车提参考依据。 在消化、吸收基础上，对动车组技术进行再创新，在满足车体强度的条件下， 对车下设备布局优化进行探索性研究，解决优化过程中关键技术问题，以达到减 小车体的轮重差和轴重差，减轻车体重量的目的，降低车体的磨耗。 北京交通犬学硕士学位论文 l 绪论 1 2t p b 酒吧车简介 t p b 酒吧车，为我国铁道部从法国a l s t o m 公司引进，委托长春轨道客车 股份有限公司制造生产的座车与餐车混合的合造车。在我国铁路既有线指定区段 及新建客运专线上以2 0 0 k m h 速度级正常运行。属于铁道部c r h 5 动车组项目。 主要技术参数如表1 1 所示。 表1 1t p b 车体主要技术参数 t p b 车体主要技术参数 运营速度 2 0 0 k m h速度提升能力2 5 0 k m h 车种 酒吧座车合造车定员4 2 适应轨距1 4 3 5适应站台高度( r a m )5 0 0 - 1 2 0 0 适应环境温度( ) - 4 0 + 4 0 地面供电电压( v ) 三相3 8 0 轴重( 吨) 1 7车体跃度( 1 i l l n ) 2 5 0 0 0 车体宽度( 删 3 2 0 0车体高度( r a m ) 2 7 3 0 车辆定距( 1 i l i n ) 1 9 0 0 0 重鼍( k g ) 8 3 9 6 车顶距轨砸高度 4 2 7 0 m m 车体地板面距轨面高度 1 2 7 0 r a m 风捎密封式折番风挡车窗独立式车窗 侧rj电动塞拉门座椅靠背可调式座椅 座席宽度 4 3 0 m m 车库宽度 9 6 0 m m 过道宽度 5 7 0 m m 卫生系统真空坐式、蹲式便器 车体结构大型中空型材铝气密性车体压力从4 k p a 降 合金乍体到l k p a 时间人y - 4 0 s t p b 酒吧车，采用强度高、耐腐蚀、加工性能好、表面处理性能好的铝合会 材料，车体主要结构由底架、侧墙、车顶、内端墙、外端墙等大型中空封闭挤压 型材通过焊接而成。整个铝合会车体按底架、侧墙、端墙、车顶等部件分别在专 用的工装上组装成一个个的单元，然后将这些单元构件焊在一起。其焊接的顺序 是：以底架为基础，将侧墙、端墙与底架点焊在一起，然后将车顶与侧墙、端墙 点焊连接，最后通过自动焊接机连续焊接各条长焊缝。t p b 酒吧车的c a d 图和 横截面图如图1 1 、1 2 所示“。 2 北京交通大学硕十学位论文1 绪论 图1 1 t p b 午体的c a d 幽 f i 9 1 1c a dd r a w i n go f t p bb o d y s h c l l 图1 2 t p b 车体横截面图 f i 9 1 2c r o s ss e c t i o nd r a w i n go f t p bb o d y s h e | l ( 1 ) 底架 t p b 车体底架主要由焊接构架、端部缓冲梁组成、枕梁刚性支座、脚蹬组成、 底架焊接件等部位组成。底架断面由纵向放置的7 块挤压铝型材组成，型材材质 为6 0 0 5 a t 6 ，厚度为7 0 r a m ，蒙皮厚度为2 5 m m ，内筋厚度为2 5 m m ，下部型材 设有t 形槽”，主要用于吊绩底架下部的各种设备，如图1 3 所示。底架枕梁由焊 接在底架边梁上的8 个枕粱座组成，枕梁座由型材机加工而成。如图1 4 所示。 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 图1 3 底架焊接构架 幽1 1 4 底絮枕梁 f i 9 1 3j o i n t i n gu u s f lo f b o t t o mf i 9 1 4c o r b e lo f b o t t o m ( 2 ) 侧墙 t p b 车体侧墙断面由纵向放置的4 块挤压铝型材组成，型材由上到下开有3 排t 型槽，用来安装防寒及内饰件。如图1 5 所示，型材材质为6 0 0 5 a t 6 ，厚度 为5 0 m m ，蒙皮厚度为2 5 m m ，内筋厚度为2 5 m m ，侧墙型材相互间通过插口对接 在一起，采用坡口焊。t p b 侧墙上有1 个上货门、1 个塞拉门和l o 个窗口( 另一 侧1 1 个窗口) 。如图l ，6 所示 图1 5 t p b 车体侧墙断面图图1 6 t p b 车体侧墙组成 f i 9 1 5t r a n s v e r s e8 0 c t i o r td r a w i n go f t p b s i d e w a l l f i 9 1 6s i d e w a l lb u i l d u po f l p b ( 3 ) 车顶 t p b 车体端顶、车顶型材、羞板秘车顶焊接俘经戍。车顶型材由纵向放置的 7 块挤压型材对称排列组焊而成。型材材质为6 0 0 5 a - t 6 ，厚度为5 0m m 蒙皮厚 度为3n l l n ，内筋厚度为2 5m m 。每块型材的长度公差士2 5 m m 。车顶外部丌了4 排t 型槽，内部丌了4 排滑槽，用于内装及设备的安装。车项断面见图】7 所示。 图1 7 t p bv - 体下顶断面 f i 9 1 7t r a n s v e r s es e c t i o nd r a w i n go f t p br o o f t p b 车项焊接件包括空调座、空调排水管、通风管座、通风管、导流罩座、 4 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 主断路器座、天线座、受电弓座、接地连接块、空调进风口、空调出风口等部件， 见图1 8 所示。 ( 4 ) 内端墙 图1 8 t p b 车体车顶组成 f i g l t 8 r o o f b u i l d u p o f t p b t p b 车体内端墙由横梁、纵梁和盖板组成，焊接在车体侧门附件，以增加整 车车体的刚度。材料为6 0 8 2 - t 6 ，如图1 9 所示。 御 j f 幢 。 一 、一 6 图1 9t p b 乍体内端墙组成 f i 9 1 9i n n e re n d w a l lb u i l d u po f t p b ( 5 ) 外端墙 图1 1 0t p b 车体外端堵组成 f i 9 1 1 0 0 u t e r e n d w a l l b u i l d u p o f t p b t p b 车体外端墙有两种：一种是有塞拉门的外端墙，另一种是没有塞拉门的 外端墙。它们的区别是端角所用型材断面及材料不同，前者材料为6 0 8 2 t 6 ，后 者为6 0 0 5 a - t 6 ，这与装配结构及受力要求有关；其次，前者有端门连接件和筋板， 后者没有。t p b 车体外端墙组成如图1 1 0 所示。 1 3 论文主要研究内容 本论文主要以中国铁道部t p b 酒吧车为分析对象，运用大型通用c a e 有限元 分析软件，对t p b 车体进行静强度和模念分析；以结构优化设计理论和方法为基 北京交通大学硕士学位论文l 绪论 础，利用i s i g h t 多学科软件集成优化平台，集成h y p e r m e s h 软件对网格控制 模块和a n s y s 分析软件的结构分析模块，对高速列车t p b 的车下设备进行单目 标优化，即通过移动车下设备的位置达到车下设备的力矩平衡，从而达到减少底 架配重的目的。 本论文主要从以下五个方面进行论述： 1 介绍有限元法，以及有限元分析软件a n s y s 。 2 、运用大型通用c a e 有限元分析软件a n s y s ，对t p b 车体结构进行有限元 强度和模态分析，以达到消化、吸收国外高速列车先进技术的目的。 3 、在消化、吸收基础上，对动车组进行再创新，对车下设备布局优化进行探 索性研究，解决优化过程中技术难点。 4 、在i s i g h t 优化平台中，对车下设备进行单目标优化设计的具体优化过程， 并对优化结果进行分析。 5 、论文总结与展望。 北京交通大学硕士学位论文2 有限元方法概述 2 有限元方法概述 有限元法( f e m ) 是结构分析的一种数值计算方法。是矩阵方法在结构力学和弹 性力学等领域中的应用和发展。有限元法借助矩阵等数学工具，尽管计算工作量 很大，但是整个分析是一致的，有很强的规律性，因此特别适合于编制计算机程 序来处理。2 0 世纪5 0 年代中期至2 0 世纪6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展， 由于当时理论尚处于初级阶段。计算机的硬件及软件无法满足需求，有限元法无 法在工程中得到普遍的应用。从2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初开始，一些公司开发 出了大型通用的有限元应用程序，这些有限元应用程序以其强大的功能、简便的 操作方法、可靠的计算结果和较高的效率而逐渐形成新的技术商品，成为结构工 程强有力的分析工具。如：美国a n s y s 公司开发的计算机辅助工程( c a e ) 软件 一a n s y s 软件。是一个功能强大的有限元通用软件，具有强大的前处理、求解和 后处理功能。计算机辅助工程在产品设计过程中，根据产品原型建立相应的计算 机仿真模型和虚拟工作环境，利用计算机仿真程序检验产品的各种功能特性，测 试产品能否实现预期的功能，并力求达到良好的经济效益和社会效益。 2 1 有限元法介绍 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 。f e m ) ，也称为有限单元法或有限元素法。就 是将连续体换成离散化结构，然后再用结构力学方法进行求解。它的基本思想是 将弹性连续体分割成由有限多个数日单元组成的集合体，各单元内假定具有一定 理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过结点相连接，并借以实现应力的传 递，各单元之间的交界面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立并求解方程组， 便可得到各单元和结点的位移、应力“1 。 经过半个多世纪的发展，f e m 已从弹性力学平面问题扩展到空b j 问题、板壳 问题：从静力问题扩展到动力问题、稳定叫题和波动问题；从线性问题扩展到非 线性问题；从同体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等其它连续介质领 域：从单一物理场计算扩展到多物理场的耦合计算。它经历了从低级到高级、从 简单到复杂的发展过程，目前已成为工程计算最有效的方法之一”1 。 1 有限元法的基本思想 弹性力学问题中的物理方程、几何方程、虚功方程、最小势能原理及单元的 位移模式是导出有限元公式的基础，可以按平衡原理、变分原理及加权残值法等 导出有限元法的基本公式。 7 北京交通大学硕士学位论文2 有限元方法概述 下面按平衡原理导出有限元法。此法与结构力学中的位移法相似，首先将连 续体转化为离散化结构，即将连续体代之以仅在结点互相连接的许多单元组成的 结构，然后对此离散化结构按类似结构力学的位移法进行分析，步骤如下： ( 1 ) 取每个单元的结点位移妒j 为未知量。 q ) 应用插值公式，由单元的结点位移求出单元的位移函数，即求出关系式： = 【】p ) ( 2 1 ) 这种插值公式表示单元中的位移分布形式，在有限单元法中称为位移模式， 式中p 为单元内位移场。f 】为形函数矩阵。 ( 3 ) 应用几何方程，由单元的位移函数求出单元的应变，即求出关系式： 玲 = 陋】p r ( 2 2 ) 式中，扛 为单元内应变场，陋1 为应变矩阵。 ( 4 ) 应用物理方程，由单元的应变求出单元的应力，即求出关系式： p = 【d 弦 = 【d 】陋】p 8 = 吲p r ( 2 3 ) 式中，p 为单元内应力场，【d 】为6 x 6 的弹性矩阵，p 】为应力矩阵。 ( 5 ) 应用虚功方程，由单元的应力求出单元的结点力。即求出关系式： 护 。= k l p 。( 2 - 4 ) 式中，k 】为单元劲度矩阵。陆】- 眙】。【d 】陋】咖。 ( 6 ) 应用虚功原理，将单元中的各种外力载荷向结点移置，化为结点载荷， 将单元中的荷载等效变换为结点载荷得： 陂 。= p + 【】每 棚+ 【 n l p d v ( 2 5 ) 式中， p 、历 、扫 分别为作用于单元上的集中力、面力和体力。 ( 7 ) 列出各结点的平衡方程，组成整个结构的平衡方程。 证 = 瓦0i - - 0 ，2 ，n ) ( 2 - 6 ) 其中y 表示对那些多f 绕f 结点韵单元求和，l 表示所有应列平衡方程的结点数。 式( 2 两和式( 2 6 ) 的右边为已知的结点载荷；左边是结点力，其中包括基本位置量 一结点位移。将式( 2 4 ) 带入( 2 5 ) 或( 2 6 ) ，经过整理，上述平衡方程可以表示为： k 】p = 溉 ( 2 7 ) 式中，医】为整体劲度矩阵，【t 1 为整体结点载荷列阵， 为整个结点的位移阵 列，出( 2 7 ) 可以求出秘 ，从而可以由式( 2 一1 ) 和式( 2 3 ) 分别求出单元中的位移忙 和 应力 o - 。 2 有限元法的应用过程 有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f e a ) 的应用过程：首先，通过弹性力学基 本方程、运动方程、热传导方程，对实际结构抽象、简化成数学模型，用数学表 达式表示；然后，利用平衡原理，通过离散、单元分析、整体分析等过程，建立 8 北京交通大学硕士学位论文 2 有限元方法概述 数学模型的有限元方程；最后，利用通用的有限元分析软件建立有限元的模型， 再施加载荷及边界条件，进行数值计算，得到分析结果“3 。 有限元法应用于实际问题，经历过程如下： 图2 1 有限元法的麻用过稃 f i 9 2 1a p p l i c a t i o np r o c e s so f f e m 2 2 有限元分析软件a n s y s 介绍 上面所讲到的有限元建模、数值计算、输出结果的判断以及改迸措施，都是 在有限元分析软件中实现的，现在比较常用的有限元分析软件有：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。而本论文中所选用的分析软件，为现在 最为通用有效的商用有限元分析软件- a n s y s ”1 。 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。出世界上最大的有限元分析软件公司之一的美困a n s y s 公司丌发。 它功能强大、应用厂4 泛，能提供的分析类型有：结构静力分析、结构动力学分析、 结构非线性分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析 等，为广大工程设计人员提供一个很好的计算设计分析平台。它能与很多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 、s o l i d w o r k s 、 a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 之一。1 。 9 北京交通大学硕士学位论文2 有限元方法概述 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供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；分析计算模块包括结构分析( 可进行线形分析、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 偶合分析，对已建立好的模型施加载荷与边界条件后，进行有限元计算；后处理 模块对计算结果进行处理，可将计算结果用彩色等值应力线、梯度、粒子流及云 图等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、列表形式输出或显示“”。 a n s y s 软件的用户界面：包括p r e p 7 ( 通用前处理模块) ，s o l u t i o n ( 求解模 块) ，p o s t l ( 通用后处理模块) ，p o s t 2 6 ( 时间历程后处理模块) 。用户可以通过鼠 标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入。用户界面如下 图2 2 所示。 幽22 a n s y s 川，界师 f i 9 2 2u s e ri n t e r f a c eo f a n s y s 1 ) i j 处理模块p r e p 7 双击使用菜单中的“p r e p r o c e s s o r 进入a n s y s 的前处理模块，主要实现三种 功能：参数定义、实体建模与网格划分。莳处理用于定义求解模块所需的数据。 用户可以选择坐标系统( w o r kp l a n e ) 、单元类型( e l e m e n tt y p e ) 、定义实常数( r e a l c o n s t a n t s ) * l 材料特性( m a t e r i a lp r o p s ) 、建立实体模型( m o d e l i n g ) ，并对模型进行网格 划分( m e s h i n g ) 。 有限元模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其它表 0 北京交通大学硕士学位论文 2 有限元方法概述 现物理系统的特征。a n s y s 提供了强大的模型生成功能，用户可以快捷地建立实 际工程系统的有限元模型。a n s y s 程序还提供了三种不同的建模方法：模型导入、 实体建模及直接生成。每种方法有其独特的特点和优点。用户可以选择其一或其 组合来建立实体模型。 对于有限元分析来说，网格划分的好坏将直接影响到有限元分析计算的精度 和速度。a n s y s 网格划分主要包括四种划分方式：延伸划分、映射划分、自由划 分与自适应划分；延伸划分是将一个二维网格延伸成一个三维网格；映射划分是 对规整模型的一种网格划分技术，它在面上生成四边形网格，在体上生成六面体 网格，网格形状规则，可以大大节省计算时问，提高计算精度和速度。自由划分 可以对任何模型划分网格，在面上( 平面或曲面) 自动生成三角形或四边形网格， 在体上自动生成四面体网格；自适应划分主要针对具有边界条件的实体模型，用 户指示程序自动生成有限元网格、分析、估计网格的离散误差，然后重新定义、 分析、估算误差，直至误差低于用户定义的值“。 2 ) 求解模块s o l u t i o n 前处理理阶段建好有限元模型后，单击使用菜单中的“s o l u t i o n ，即进入分析 求解模块。用户定义分析类型、分析选项、施加载荷、边界约束条件以及载荷步 选项，即可开始有限元求解。a n s y s 软件提供的分析类型有：结构静力分析、结 构动力学分析、结构非线性分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场 分析、压电分析。 3 ) 后处理模块p o s t l 和p o s t 2 6 a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块p o s t i 和和时问历 程后处理模块p o s t 2 6 。通过用户界面，用户可以很容易获得求解过程的计算结果 并对其进行显示。这些结果包括位移、应力、应变、温度、速度及热流等，输出 形式可用图形显示，也可以用数据列表形式。 通用后处理器p o s t l ，用来查看整个模型或选定的部分模型在某一时间步的 计算结果。获得等值线显示，不同的等值线颜色代表不同的值( 如应力、位移值 等) 。浓淡图则表示不同的颜色代表不同的数值区( 如应力、应变范围等) ，清 晰地反映了计算结果的区域分布情况。 时| 日j 历程后处理器p o s t 2 6 ，用来检查或查看模型在时i 日j 段或子步历程的结果， 如结点位移、应力或支座反力等。获得结果数据对时间或频率关系的图形曲线与 列表，还能从时问历程结果中生成谱响应。 北京交通大学硕十学位论文3 高速列车t p b 车体的有限元分析 3 高速列车t p b 车体的有限元分析 本论文主要对铁道部从法国阿尔斯通公司引进的高速列车t p b 车体进行强度 和模态分析，达到消化、吸收国外先进高速列车技术的目的。并为车体结构的改 进奠定基础，为试验测试提供指导作用，更为今后自主创新设计、生产国产化高 速列车提参考依据“。 3 1 车体强度分析 3 1 1 车体结构离散模型 根据长春轨道客车股份有限公司提供的a u t o c a d 图纸，在大型通用有限元分 析软俸a n s y s 中完成车体结构建模、两格划分和结构强度及刚度分析计算的工 作。在建立t p b 车体有限元模型时，对原有的结构进行了必要的简化，并忽略对 车体结构强度、刚度计算影响较小的一些因素。 选择单元时，考虑到车体受到的变形以弯曲变形为主，因此选用4 个节点壳 单元s h e l l 6 3 ；一些不规则的加强板，则选用8 个节点的实体单元s o l i d 4 5 ； 另外由于模仿空气弹簧，选用单元s p r i n g - d a m p e r l 4 ；以及一些设备的重量，由于 形状不规则原因，采用质量单元的形式加载车体上面，则选用质量单元3 dm a s s 2 1 。 考虑到车体结构的对称性，约束、载荷工况以及质量也都考虑相同的对称性。 车体结构纵向对称的一些微小差异，选取车体结构削弱比较大的一半作为有限元 分析的对象。在有限元强度分析离散模型中，有限元离散结构的节点总数6 8 7 6 4 个，单元总数为1 0 1 3 3 0 个，其中壳单元数为9 5 8 9 7 个，体单元数为5 2 8 0 个，弹 簧单元数为1 2 0 个，质量单元数为3 3 个，结构离散总图见图3 1 所示。 2 北京交通大学硕士学位论文3 高速列车t p b 车体的有限元分析 3 1 2 约束处理 图3 i t p b 车体离散结构 f i 9 3 ，1d i s p e r s i b l es t r u c t u r eo f t p b t _ p b 车体建模时，选取横向为x 轴方向，垂向为y 轴方面，纵向为z 轴方向， 加载位置如图3 2 所示。另外图中没有显示出来的约束位置，为车体纵向对称线， 简称n s y m m 。具体载荷编号下的约束位置以及约束的方向，如表3 1 所示。 图3 2 t p b 车体约束位置 f i 9 3 2r e s t r i c td i s p l a c e m e n tp l a c eo f t p b 表3 i t p b 下体载荷l 况约求 载付j 况：约束 载荷 n s y m mn c a rn s on s on s on s o l l n c a rs o ln s o l l 编号r al l 2l l 4 l l 4 a4 p c r p l 2 p4 p aac 1 0 u x r y , r z u y uy - u z l l u x ，r y , r z u y u y u z 1 2 u x ，r y , r z u y uy u z 1 3 u x ，r y , r z u y u y u z 1 4 u x ，r y , r z u y u y - u z 北京交通大学硕+ 学位论文3 高速列车t p b 车体的有限元分析 表3 i ( 续) 1 5 u x ，r y , r z u y u y , u z 1 6 u x ，r y , r z u y u y u z 1 7 u x ，r y , r z u y u y , u z 1 8 u x ，r y , r z u y u y , u z 1 9 u x ，r y , r z u y u y , u z 2 0 u x ，r y , r z u y u y , u z 2 l u x ，r y , r z u y u y , u z 3 0 u x , r y , r z u y u y , u z 3 i u x r y , r zu y , u z u y 3 2 u x ，r y , r z u y u y u z 3 3u x , r y , r zu yu y - u z 4 0 l 1 x ，u z ，r xu x u 、 u x u y ( 注：n s y m m ：对称面上所有节点； n c a r r p ：二位端转向架支座： n s o l l 2 p ：二位端2 点吊装顶车位； n c a 础己a ：一位端转向架支座； n s o l l 2 a ：一位端2 点吊装顶车位； n s o l l 4 a ：一位端2 点吊装顶车位； n s o l l 4 p ：二位端2 点吊装项车位：n s o l l 4 a c ：一位端4 可选点吊装顶车位； n s o l l 4 p c ：二位端4 可选点吊装顶车位) 3 1 3 载荷处理 根据国际铁路联盟标准u t c 5 6 6 以及欧洲标准e n 1 2 6 6 3 相关规定“小“1 ，车辆 基本作用载荷有垂向静载荷、垂向动载荷、纵向载荷和顶车载荷等。 1 垂向静载 垂向静载包括自重、载重和整备重量。其中车体结构自重和旅客( 包括自带 行李) 重量按均布载荷作用在车体底架上，车内重大电气和机械设备按集中载荷 作用用于安装位置处。 旅客( 包括自带行李) 重量取为8 0 k g 人。 垂向静载荷计算公式如下： 疋= 1 3 t + 协+ s 6 ) x p x g ( 3 - 1 ) 式中，疋为垂向均布载荷，单位为n ；m ，为整备状态下车体质量，单位为姆； 一为定员数；p 为每一位旅客质量，去p = 8 0 k g 人；s 为通道及通过台面积，单位 为m 2 ；b 为单位面积计算旅客数，取b = 4 人m 2 ；g 为重力加速度( g = 9 8 1 m s 2 ) 。 4 北京交通大学硕士学位论文3 高速列车t p b 车体的有限元分析 2 垂向动载荷 垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数而定。垂向动载荷取为垂向静 载荷的0 3 倍。即垂直动载荷系数取0 3 。即车体内重大电气和机械设备按集中载 荷作用于安装位置处，其值按加挂设备的实际重量的1 3 倍考虑。 3 静态纵向载荷 1 ) 压缩载荷： 凡，在车钩中心线高度上沿纵向作用； 对于动力集中时，取，乙= 1 5 0 0 k n i 对于动力分散时，取f 坩= 1 0 0 0 k n ； 。= 3 0 0 k n ，一端作用在车体端墙的车顶与侧墙交接高度处。另一端作用点 与上述f 。的作用点相同。 只：= 3 0 0 k n ，一端作用在车体端墙上侧墙车窗下缘高度处，另一端作用点与 上述f 0 的作用点相同。 只，- - 4 0 0 k n ，一端作用在车体端墙上距地板面以上1 5 0 r a m 处，另一端作用点 与上述只。的作用点相同。 2 ) 拉伸载荷： 另一端作用点与上述f ，的作用点相同。 瓦= 1 0 0 0 k n ，在车钩中心线高度上沿纵向作用。 4 顶车载荷 i ) 两点顶车载荷 以一端转向架为支点，在车体另一端项车位将车体连同该端的转向架一起项 起，此时垂向载荷为： 兄= 1 1 1 + m 2 j 。g( 3 - 2 ) 式中，疋为垂向载荷，单位为n ；m 。为整备状态下车体质量，单位为堙；m ： 为顶车端的转向架质量，单位为堙；g 为重力加速度( g = 9 8 1 m s 2 ) 。 2 ) 四点项车载荷 在车体两端顶车位同时项起整个车体( 不包括转向架) ，应考虑不均衡因素( 三 点支承) ，此时垂向载荷为： r = m 3 。g( 3 3 ) 式中，疋为垂向载荷，单位为；m ，为空车车体质量，单位为堙；g 为重 力加速度( g = 9 8 1 m s 2 ) 。 5 加载位置 根据u i c 5 6 6 标准中加载位置如图3 3 所示。 s 北京交通大学硕士学位论文 3 高速列车t p b 车体的有限元分析 图3 3 t p b 车体加载点 f i 9 3 3f o r c ep l a c eo f t p b ( 注：r t e g p o a a ：e 2 端，车项水平上：r t e g p o a p ：e l 端，车顶水平上： r f i n e a ：e 2 端，车窗水平线上；r c a r r p ：e 1 端，车窗水平线上： r 1 5 0 a ：e 2 端，距地板面以上1 5 0 m m 处；r f i n e p ：e 1 端，吊装顶车位； r i 5 0 p ：e l 端，在距地板面以上1 5 0 r a m 处；r c a r r a ：e 2 端，吊装顶车位； r g a n c i o a ：e 2 端，车钩水平上；r g a n c i o p ：e 1 端，车钩水平上；1 6 载荷工况 车体结构按照u i c 5 6 6 与e n l 2 6 6 3 标准相关规定“”“”，结构强度设计并 能承受以下载荷，t p b 车体有限元分析的各种工况，如表3 2 所示。 表3 2 t p b 乍= 体单一载荷f ：况 载荷j ：况：列表 载荷一j ：况编号名称 1 0 作用在车钩水平上的压缩载荷1 5 0 0 k n l l e 2 端。作h j 在距地板面以上1 5 0 r a m 处的压缩载荷4 0 0 k n 1 2 e 2 端，竹川在卞窗水平线上的乐缩载荷3 0 0 k n 1 3 e 2 端，佧h j 在卞顺水平上的压缩载荷3 0 0 k n 1 4 e l 端，作h j 在距地板面以上1 5 0 n u n 处所缩载荷4 0 0 k n 1 5 e l 端，作j j 住下窗水平上压缩载衙3 0 0 k n 1 6 e 1 端，f 1 。j t j 红个顺水平上的爪缩载荷3 0 0 k n 1 7 l g 雄直载荷，止常返转状态 1 8 l g 雄直载荷，就库旅客 1 9 1 9 乖直载荷，4 名站立旅客每平方米 2 0 3 9 转向架纵向加速度 2 l 6 0 0 0 p a 空气动力学压力 6 北京交通大学硕士学位论文3 高速列车t p b 车体的有限元分析 表3 2 ( 续) 3 0 e l 端，提供2 点提升，正常运转状态 3 1 e 2 端，提供2 点提升，正常运转状态 3 2 提供4 点提升，正常运转状态 3 3 提供4 点可选提升，上e 常运转状态 4 0 l g 横向加速度，过