第4章-动车组车体-4.3动车组车体结构静强度分析

第4章动车组车体授课内容4.1车体概述4.2几种典型动车组的车体结构4.3动车组车体静强度分析第4章

动车组车体1.理解什么是车体强度分析2.知道车体承受载荷情况3.了解车体强度分析方法学习目标4.3.1车体承受的载荷4.3.3车体静强度分析学习知识点4.3

动车组车体静强度分析第4章

动车组车体车体结构强度分析概述1.车体结构强度定义车体结构强度是指在外力或载荷作用下，车体结构抵抗破坏的能力。2.车体结构功能要求承受使用期间可能出现的各种载荷与变形，并具有良好的工作性能；在正常维修和保养条件下，具有足够的使用耐久性。3.车体结构强度问题车体结构静力破坏；车体结构疲劳失效。ICE-1动车组疲劳失效导致的后果第4章

动车组车体车体结构强度分析概述疲劳强度分析关注车体在长期循环载荷下的耐久性，预防因疲劳引起的破坏，提升运行可靠性。4.结构强度分析主要的类型及作用（1）静强度分析（2）疲劳强度分析静强度分析确保车体在静态载荷下不会发生破坏，从而保障结构的安全性。车体结构强度分析是车辆实现运行高速、安全、耐久和可靠的保障。牵引梁与三角筋板之间的焊缝出现疲劳裂纹裂纹形态强度分析方法同3.9节转向架强度分析PPT第4章

动车组车体4.3.1车体承受载荷垂向载荷纵向载荷侧向载荷扭转载荷第4章

动车组车体车体自重车辆载重整备重量垂向载荷垂向静载荷垂向动载荷轨面不平钢轨接缝等线路原因车辆本身状态不良4.3.1车体承受载荷第4章

动车组车体经验公式简化计算：垂向动载荷的计算车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度mm车辆的最高运行速度km/h系数取值为0.05系数。货车取值为1.65，客车取值为3.0系数。簧上部分为1.5.簧下部分为3.5系数。簧上部分为0.427.簧下部分为0.569垂向动载荷动荷系数垂向静载荷垂向静载荷和垂向动载荷之和称为垂向总载荷4.3.1车体承受载荷第4章

动车组车体列车加速度车辆底架的作用力纵向载荷纵向力的产生影响因素起动牵引力列车的重量与速度机务人员的操作水平单个车辆本身的质量、车体纵向刚度和其他部件性能纵向力：指列车在各种运动状态时车辆间所产生的压缩和拉伸的力。当列车发生纵向冲击时车辆所处位置不同，其所受力的大小不等。4.3.1车体承受载荷第4章

动车组车体侧向载荷风力离心力按风压力乘以车体侧向投影面积计算，风力合力作用在车体侧向投影面积的形心上。车辆运行在线路的曲线区段时，将承受离心惯性力(俗称离心力)的作用。离心力计算公式：重力加速度，通常取10m/s2曲线半径(m)通过曲线时车辆最大允许速度(km/h)曲线区段的外轨超高量(mm)轮对两滚动圆之间的距离(mm)，其值为1493mmgRv2b1h4.3.1车体承受载荷第4章

动车组车体扭转载荷车辆制造几何误差，线路不平即使是静止的重载车体也可以形成扭转。蛇行运动、车辆进出曲线或道岔侧线均可以使车体扭转。4.3.1车体承受载荷第4章

动车组车体按第三章所述强度分析方法，依据EN12663标准对车体进行强度校核，基本分析流程为几何处理、网格划分、有限元模型处理、计算与后处理几个步骤强度有限元分析流程图处理CAD几何模型网格划分有限元模型处理计算分析结果后处理输出结果4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体几何处理是对车体的CAD模型进行几何清理、抽取中面、结构简化等工作，经过几何处理后，得到便于进行网格划分的简化模型，利用专业软件进行有限元网格划分。某动车组车头有限元模型4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体对车体结构划分完网格后，需要对模型进行属性、工况条件的设置，输入结构材料的各项力学参数。序号材质厚度(mm)非焊接处屈服应力焊接处屈服应力弹性模量泊松比16005A-T6e≤5225115710000.335＜e≤1021510＜e≤2520026082-T6e≤6260125710000.336＜e≤12.525535083-H111e≤50125125710000.334.3.2车体强度分析第4章

动车组车体序号工况名称负载大小/kN载荷施加方法1垂向定员负载工况垂向载荷：481.719有限元模型重量以重力加速度形式模拟5＜e≤10乘客质量均布座椅处10＜e≤25设备质量施加于设备悬挂处其余重量分布地板上2整备与车钩座1500纵向压缩组合工况垂向负载：411.159纵向负载：1500垂向负载同1（无乘客质量）6＜e≤12.5纵向负载作用于二位端车钩座处3整备与二位端部压缩300kN组合工况垂向负载：411.59纵向负载：300垂向负载同1（无乘客质量）纵向负载作用于二位端端墙窗腰带高度处4抬车工况11.1g×（AW0+转向架质量）垂向负载同1（无乘客质量）两端转向架重量分别施加于悬挂处根据EN12663标准，确定车体超常工况，下表给出四个具有代表性的载荷工况。车体静强度分析实例4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体根据车体有限元模型所施加的载荷工况及位移约束条件进行有限元分析，可得到4个工况下车体静强度计算结果。下图为第1个工况下的车体应力云图。4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体车体静强度分析结果序号工况名称应力最大值及出现位置（MPa）许用应力（MPa）1垂向定员负载工况侧墙下窗角：92.62152整备与车钩座1500纵向压缩组合工况侧墙上门角：181.52153整备与二位端部压缩300kN组合工况侧墙上窗角：209.82154抬车工况1侧墙下窗角：98.8215由表中数据可知，四个工况下的应力最大值均小于材料的许用应力，表明该车体结构满足静强度要求。4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体车体疲劳分析实例参考EN12663标准以及车体设计要求，制定高速动车组车体正常运营载荷工况，即疲劳强度载荷工况，用三个方向的加速度代表动态载荷，循环次数均为一千万次，各疲劳载荷工况详细描述见下表。序号名称描述约束1垂向疲劳工况垂向定员负载时，在垂向振动加速度为±0.15g的状态下，车辆应能够承受107次负载循环。车体与枕梁联接处施加垂向线位移约束，其中一侧再施加横向线位移约束。车钩座处施加纵向约束。2横向疲劳工况垂向定员负载时，在横向振动加速度为±0.15g的状态下，车辆应能够承受107次负载循环。同垂向疲劳工况3纵向疲劳工况垂向定员负载时，从最大牵引加速度至最大制动减速度状态变化（±0.15g），车辆应能承受107的交变负载循环同垂向疲劳工况4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体车体最大主应力计算结果工况1中，最大主应力为18.992MPa，出现在底架端部门角处。将各薄弱位置的应力值具体整理见下表。编号位置焊接形式等级（FAT）最大计算应力（MPa）许用应力A1底架端部检查门角母材7118.99250.8B1侧墙下窗角母材7115.89950.8C1裙板焊缝角焊3612.74321.1D1底架挡板焊缝角焊3611.57921.1E1地板开孔处母材7110.54450.84.3.2车体强度分析第4章

动车组车体车体最大主应力计算结果4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体基于IIW-2015标准的车体疲劳强度分析S-N曲线评估焊接接头的抗疲劳破坏能力，其描述试样在不同应力水平下的疲劳寿命。在双对数坐标系下以应力变化范围Δσ为纵坐标，载荷作用下接头的循环次数N为横坐标。S-N曲线方程为：式中，m是双对数坐标系下S-N曲线的反向斜率；C是与焊接接头类型相关的试验常数。IIW-2015标准中铝的疲劳强度的S-N曲线见右图，图中列出了FAT值（FAT值即疲劳强度值，为2×106次循环对应的应力变化范围值）为12～50的焊接接头的S-N曲线以及FAT值为71的母材的S-N曲线。图中焊接接头的第一段S-N曲线的反对数斜率为m1=3，第二段S-N曲线的反对数斜率为m2=22；母材第一段曲线的反对数斜率为m1=5，第二段斜率与焊接接头的相同。铝材典型的S-N曲线4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体选取焊接接头与疲劳等级根据评估部位的焊接接头类型、承载方向、材料以及焊后处理情况，在IIW-2015标准中选取对应的接头细节、FAT等级及相关参数。选取评估点基于ANSYS软件对车体进行疲劳强度计算，得到车体疲劳强度薄弱部位的主应力，将第一和第三主应力变化范围中绝对值较大值作为评估应力。基于IIW-2015标准的车体疲劳强度分析4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体计算累积损伤ni：第i个工况要求的疲劳寿命（铝材一般为107次）。Ni：实际算得的主应力范围对应得疲劳寿命。D：总的累积损伤，通常当D<1时安全，D

1时表示破坏。基于IIW-2015标准的车体疲劳强度分析Ni计算公式为：

为计算得到的疲劳应力范围；为107次循环对应的疲劳强度值；为109次循环对应的疲劳强度值；C1、C2为常系数，与FAT值对应。4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体编号编号焊接形式/FAT级计算项目工况1工况2工况3工况1A1母材71级应力范围18.9920.4720.99损伤比3.98×10-101.98×10-452.37×10-38累计损伤3.98×10-10B1母材71级应力范围15.8990.5270.131损伤比7.85×10-122.24×10-441.12×10-57累计损伤7.85×10-12C1母材71级应力范围12.7431.1150.878损伤比6.12×10-143.24×10-371.69×10-39累计损伤6.12×10-14D1角焊36级应力范围11.5792.0840.335损伤比1.85×10-67.61×10-232.61×10-40累计损伤1.85×10-6E1角焊36级应力范围10.5440.9541.02损伤比2.35×10-72.61×10-301.14×10-29累计损伤2.35×10-7根据ⅠⅠW-2015标准，计算各工况下薄弱部位的疲劳损伤值。下表给出三个工况下的累积损伤值，表中应力单位为MPa。4.3.2车体强度分析第4章

动车组车体编号编号焊接形式/FAT级计算项目工况1工况2工况3工况2A2母材71级应力范围1.32625.9032.104损伤比1.47×10-353.67×10-73.78×10-31累计损伤3.67×10-7B2母材71级应力范围1.46724.6481.875损伤比1.36×10-341.23×10-73×10-32累计损伤1.23×10-7C2母材71级应力范围0.87116.8640.991损伤比1.42×10-392.91×10-112.42×10-38累计损伤2.91×10-11D2母材71级应力范围0.13912.0280.654损伤比4.14×10-571.72×10-142.59×10-42累计损伤1.72×10-14E2角焊36级应力范围0.6798.5070.234损伤比1.47×10-332.09×10-99.74×10-44累计损伤2.09×10-94.3.2车体强度分析第4章

动车组车体编号编号焊接形式/FAT级计算项目工况1工况2工况3工况3A3母材71级应力范围1.1283.24440.557损伤比4.18×10-375.18×10-