地铁不锈钢车体强度分析及试验验证 - 图文-

1、地铁不锈钢车体强度分析及试验验证李培,孙丽萍(大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028摘要:针对地铁不锈钢点焊车体的结构特点及不锈钢材料的力学性能,建立车体有限元分析模型,依据相关标准计算车体有限元模型在规定工况下的应力分布及变形。计算结果与试验数据比较表明,有限元分析结果与试验数据基本吻合,为车体结构的进一步优化改进提供了参考依据。关键词:地铁;不锈钢;车体;有限元;点焊中图分类号:U270.1+2 文献标识码:A 文章编号:1003-1820(201104-0017-03收稿日期:2010-08-02作者简介:李培(1984 ,男,江苏沛县人,硕士研究生;孙丽萍(1965 ,女,

2、黑龙江鸡东人,教授。1 引言地铁不锈钢车体以强度重量比高、耐腐蚀性能好、使用寿命长、安全性高和维修量少等优点,越来越受到青睐。目前不锈钢车体已经在国外的城轨车辆中得到广泛的应用1。然而用于地铁车体的不锈钢材料具有较低的热传导率和高的热膨胀系数,使得不锈钢的焊接性能较差。不锈钢材质焊接时产生的热量不能很快散失,大量的热量积聚于焊缝区域,容易产生焊接变形。为减小焊接变形和防止高温下不锈钢材料机械性能的下降,地铁不锈钢车体结构的连接多采用电阻点焊方式,尤其是侧墙部分,上万个焊点密布于车身。为保证车体强度,保证乘客人身安全,必须对地铁车体进行强度及刚度的校核。以往校核主要采用强度试验,即在车体钢结构上

3、贴应变片进行静力试验,以此校核车体强度。此方法耗时、费力,生产周期长。如今,随着有限元仿真技术的成熟并成功应用于产品设计,大大提高了产品性能和投放市场的速度,大幅度地降低了生产成本。本文以国内某型地铁不锈钢车体为例,建立车体结构有限元仿真模型,对其强度、刚度进行分析评价,并将计算结果与试验数据相比较,检验仿真分析的合理性。2 车体有限元模型及载荷工况2.1 地铁不锈钢车体结构特点该地铁不锈钢车体为B 型车车体,其断面形状为鼓形,采用板梁组合整体承载无中梁结构,由底架、侧墙、车顶及端墙4部分组焊而成。牵枕缓部位主要采用碳钢材质Q345焊接,其余部件采用车辆专用不锈钢材质SUS301L 系和EN1

4、.4318,焊接方式为电阻点焊。车辆的主要技术参数如表1所列。表1 车辆主要技术参数最高运行速度/km h -180车辆整备重量/t 35车体长度/mm 19000车体宽度/mm 2800转向架中心距/mm 12600转向架自重/t 6.9固定轴距/mm 2200定员(超员/人245(310车体结构所用材料及其性能见表2。2.2 不锈钢车体有限元模型的建立考虑车体的纵向对称性及减少计算时间,故取车体1/2结构进行模拟。根据车体各部件的力学性能、尺寸,在几何模型的基础上进行结构离散。除侧墙门角铁部位采用实体单元模拟外,底架、侧墙、车顶、端墙四大部件结构均采用壳单元离散。第4期(总第446期内燃机

5、车2011年4月实际中车体不锈钢之间的连接采用电阻点焊,焊点密布于车身各处,是典型的点传力结构。因此,有效地模拟焊点是仿真的关键。由于点焊区域存在几何不连续、残余应力、材料特性不一致以及焊接过程中产生的缺陷等,对于自由度较少的模型,可以用接近真实的结构去模拟,但对于这种含有大量点焊的不锈钢车体,要详细建立每个点焊模型非常耗时2。因此,本文建模时为使仿真模拟与工程实际相吻合,焊点采用三维梁单元进行模拟。1/2车体单元共计589310个,节点为600817个。模型材料参数:不锈钢弹性模量E 1=180GPa ,碳钢弹性模量E 2=206GPa ,泊松比 =0.29。1/2车体有限元模型如图1所示。

6、表2 车体结构所用材料及其性能序号材料屈服极限/M Pa许用应力/M Pa非焊缝区焊缝区1Q3453453453142SUS301L -HT 6856856233SUS301L-M T 4804804374SUS301L-ST 4104103735EN1.4318350350 318图1 不锈钢地铁1/2车体有限元模型2.3 载荷工况的确定为考察地铁车体的强度和刚度,根据车辆在使用过程中的实际情况,参照标准EN12663:2000 铁路应用 铁路车辆车体结构要求 来确定各计算载荷和工况。工况1:整备状态下的垂直静载工况(AW 0;工况2:垂向定员工况(AW 2;工况3:最大运转载荷工况(AW

7、3;工况4:垂向定员工况(AW 2+800kN 纵向压缩载荷;工况5:垂向定员工况(AW 2+640kN 纵向拉伸载荷;工况6:垂向最大运转工况载荷(AW 3+800kN 纵向压缩载荷;工况7:一端提升工况;工况8:两端提升工况。2.4 计算结果分析工况1至3主要考察车体结构的总体刚度以及在垂直过载下的力学行为。此3种工况下车体变形趋势相同,在最大运转载荷工况下,底架边梁中部垂向变形为7.031mm (见图2。前3种工况下的应力分布状态也较为相似,车体的最大应力均发生于侧墙两端车门下角铁处,最大应力为152MPa(发生在工况2,其他各大部件的应力最大位 置也基本相同。图2 工况3底架边梁垂向变

8、形云图工况4至6主要考察车体在连挂时的力学行为。此3种工况应力分布类似,以工况4为例:车体最大应力位于侧墙中间车门下角铁处(见图3,最大应力为304M Pa 。底架最大应力为301MPa ,应力集中发生于牵引梁下盖板与枕外大横梁的交接处(见图4,其他部位应力均小于300MPa 。工况4与6中牵引梁下盖板与枕外大横梁的交接处应力略低于材料许用应力值,但在实际运用中,由于牵引梁下盖板与枕外大横梁的交接处有圆弧过渡,所以可以在一定程度上降低此处应力集中的影响。此外,由于底架无中梁,纵向的拉压载荷主要由边梁和波纹地板承担,由图3也可以看出波纹地 板的高应力区主要集中于枕内部分。图3 工况4下1/2车体

9、V onM ises 应力分布云图18内燃机车2011年图4 工况4底架局部V on M ises应力分布云图对于工况7和8,主要考虑车辆检修时转向架质量对车体结构的力学行为。工况7车体最大应力位于枕内第1根大横梁与底架边梁的连接处,最大应力269M Pa。工况8车体最大应力发生于顶车位底架边梁处,应力为327MPa。此8种工况下车体应力值均小于车体材料的许用应力值,车体结构满足静强度要求。GB/T7928 2003 地铁车辆通用技术条件 要求 在最大垂直载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1 。在最大运转载荷工况下,底架边梁中部垂向变形为7.031mm,满足刚度要求。3 仿真结

10、果与试验数据3比较分析3.1 垂向位移比较试验中垂向位移应变片共6处,均置于底架边梁上,贴片纵向对称。比较边梁中间处应变片在工况1和工况6下的垂向位移,具体数据如表3所列。表3 工况1和工况6下的边梁垂向位移比较工况试验值/mm计算值/mm相对误差/%1 3.89 4.166.946 2.74 2.711.103.2 应力比较该车体静强度试验中采集数据繁多,应变片主要集中于底架、地板及侧墙门窗处,这里对底架牵引梁、枕梁、边梁及波纹地板大应力区处应力做一比较。比较在工况6下的应力,如表4所列。3.3 数据对比分析通过对有限元仿真模拟下的位移数值、应力数值与试验数据对比可以看出,仿真计算数值与地铁

11、不锈钢车体试验贴片点应力的分布趋势相同,且对应位置数值相差很小,即便是测试点编号为3202、3402两点数据与计算值相对误差较大,但两者数值相差仍在20MPa以内,其余各点数据趋势相同且相对误差在10%以内。由此可以证明该地铁不锈钢车体有限元仿真模型的建立是正确的,选用的单元是合理的,有很高的可信度,可以为车体结构的进一步优化改进提供一定的参考依据。表4 工况6下应力计算值与试验值比较位置试验点贴片编号对应有限元节点号试验值/M Pa计算值/M Pa相对误差/%牵引梁010*-102.0-109.47.3020*-89.7-85.54.7边梁3102930179-134.7-131.32.53

12、202743020-100.1-114.914.83402112118-104.3-123.918.8波纹地板4201806322-218.4-220.51.04203806303-252.2-256.71.84205806285-239.8-242.51230.2-217.55.54209805795-152.5-152.70137.8-149.58.54 结论本文通过对地铁不锈钢车体强度的有限元仿真计算结果与试验数据对比,得出如下结论:(1根据不锈钢点焊这一典型连接方式,采用壳单元来模拟车体钢结构,采用三维梁元来模拟焊点,可以较好地模拟出

13、其点传力的特点,仿真计算证明此方法是可行的。(2计算得出地铁不锈钢车体在各工况下的最大应力、发生部位及数值,结果表明该地铁不锈钢车体的强度和刚度满足使用要求。(3仿真结果与试验数据相比较,相对误差不超过10%,表明该建模方法正确,论证了有限元仿真模拟的可信度。参考文献:1 姚曙光,许平.轻型不锈钢车体结构研究J.城市轨道交通研究,2004,(5:82 84.2 邓锐,李华丽,黄文杰.薄板点焊结构有限元建模方法研究J.电力机车与城轨车辆,2009,32(5:13 16.3 沈阳地铁二号线M p车车体静强度试验报告R.青岛:中国北车集团四方车辆研究所,2009.19第4期(总第446期李培等:地铁

14、不锈钢车体强度分析及试验验证 Strengt n analysis and experi m ent al verificationof st ai n less steel m et ro carbodyL I Pe,i S UN L-i pi ng(Dalian Jiaotong U n i versity,D alian116028,ChinaAbstract: Based on the str uctural characteri st ics of the spot weldi ng sta i nless steel m etro carbody and the m echanic

15、al properties of the stainless stee,l the FE M m odel of t he carbody w as established.And the m odel was calculated under so m e regulated cases accordi ng to rele-vant standar d to co m e out w ith stress and displace m e nt distri bution.Co m paring sm i ulat i on and exper m ental re-sults,it wa

16、s sho wn that these t w o results are nearly c on-siste nt w ith each ot her.Such results prov i de a reference f or the f urther optm i ization of carbody str ucture.K ey words: M etro;stainless stee;l car body;FE M; spot w eldi ngProducti on control of pearlite ductile iron p ist onS UN L i n(Yuan

17、fang P iston Co.,L t d.,Changzhou213027,Ch i naAbstract: T he pr oduction c onfr o l o f pearlite duc-t ile ir on piston was descri bed.By correctl y contr o lling the che m ical co m position of duct ile i ron p i ston and strictly controlli ng the pr ocess of spher o i dizati on,the heat trea-t m

18、e nf process which can meet the real producti on nee ds w as deci ded,i n order to obtai n t he pearlite ductile iron w ith h i gh strength and h i gh toughness.The effective de-tect i on and control methods are used to ensure t he pr o-duction feasi bility and stability.K ey words: pearlite ductile

19、 iron;piston;pr oduc-t i on;controlDevelop m e n t of hydraulic t rans m ission boxwit h cl utch-t ype couplerZ HANG Zong-feng,DU Ji ng-ping,WANG Zh-i gang(D ali an Loco mot i ve R esearch I nstitute Co.,Ltd.,Dalian116021,Ch i naAbstract: The m atchi ng patter n for oil drilli ng pump and the charec

20、teristics of various trans m issi on m ethods are discri be d.It is poi nted out t hat t he hydr aulic tra m s m i ssi on box w ith a clutc h-type coupler is needen to m atchi ng the AC motor.The trans m issi on box is discussed i n ter m s of w orking principle,controlli ng style,tec hnical diffic

21、u lties and product a dvantages.The on-site failures are analyzed and the counter measures are g i ven.K ey wor d s: clutch-type coupler;hydraulic trans-m issi on box;developmentI m prove d w el d i ng qualit y of locomotive based oni ntroduction of foreign advanced technologiesZ HOU M i n(Loc o m o

22、ti ve A cceptance O ffice A ccredited by Ra i-lw aysM i n istry to Z i yang L oco mot i ve Co.,L td.,Z i y-ang643101,Ch i naAbst ract: The W el d i ng Q uality Syste m EN15085 is i ntr oduced i n brie,f and it is sho wn that t he w el d i ng quality of loco m oti ve HX D1C manufactured by Z i ya ng

23、Lo-co motive Co.,L t d.,have been m i proved significa ntly through the i ntroduction,d i gestion and absor ption of w eldi ng quality syste m EN15085.K ey words: W eldi ng Q uality Syste m EN15085; l oco motive HX D1C;W eldi ng;qualityDesign of computer-base d testi ng syste m forloco m otive oil d

24、amperHUANG T ao(Beiji ng I nstitute of eco mo m ic manage ment,Beiji ng 100102,Chi naAbst ract: The paper disc ussed a syste m for tes-t i ng loco m oti ve oil da mper.T he syste m consists of m echa m is m,m otor unit,electrica lly c on lr o ll ed cabi net and co mputer syste m.O n the one ha nd,co m puter pr ogra m controls the frequenc y c hange t hrough gatheri ng card to actuate the t hree-phase asynchr onous motor,and through m echanis m to e xcite the o il da mper;on the ot her hand, the gathered data such as the buffer d isplace ment and stre ngh data are treat mented and