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1、1不锈钢点焊结构车体 FEA 建模方法摘 要:针对不锈钢车体点焊结构的“点传力”特性,提出了位移主-从约束关系建模思想,并通过数值试验验证了采用位移主-从约束关系来模拟焊核比现有其它的模拟方法具有更高的精度.以城市轻轨动车组不锈钢点焊车体为应用对象,基于位移主-从约束关系建立了该车车体的有限元模型,计算结果与试验测试结果基本一致,证明了模型的正确性,为今后该类车型的设计与开发打下了良好的技术基础.关键词:FEA,位移耦合,点焊结构点焊是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,分布于车身各部位,数量达上万个.点焊结构主要特点是:结构紧凑、重量轻、强度
2、高、耐腐蚀.同时,它的制造工艺比较复杂,技术要求高,因此,尽管点焊结构车辆在国外已经获得了广泛应用,在国内则刚刚开始研制1-2.如何把握点焊结构的力学特性,建立高精度的车体 FEA 计算模型已成为不锈钢点焊车研制过程中计算人员极为关注的问题.当前点焊结构常采用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)来模拟焊核3-4.从理论上说,点焊结构用适当高度的块体元模拟时,则可获得较高的精度,但对于大量均布、密集排列的焊点的不锈钢车体结构来说这将导致单元/结点数量急剧增加而不可行,因此,必须抓住不锈钢点焊车传力的主要特征创建 FEA 模型.与车辆结构尺寸相比,点焊焊核自身的尺寸可以忽略不计,在
3、有限元模型中,可以将它们视为仅是整体坐标系下的一个“点”,在外载荷作用下,结构依靠这些“点”传递内力,这类结构可称为“点传力结构”.基于位移主-从控制关系原理5,本文认为2对于不锈钢点焊车体这类典型的“点传力结构”,用位移的主-从约束关系来模拟焊核(即等价于在计算模型中被焊接连接的两点之间位移完全一致)是更为合理的,并通过数值试验证明了主-从约束关系比其它建模方法具有更高的精度.基于位移主-从约束关系建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的 FEA 模型,根据相关标准进行加载计算,通过与物理试验的比较,验证了计算模型的合理性和有效性.1 主-从控制关系的正则方程主-从关系(位移耦合),指的是当一个
4、结点被定义为另一个结点的从结点后,该从结点就失去了位移的独立性,它的位移只能且必须从属于主结点.主结点上的位移处理为独立位移,从结点上的位移为相关位移.在应用最小总势能原理求基于位移法的结构正则方程时,相关位移对总势能的贡献是通过与之有关的独立位移和指定位移表达的.结构的总势能为2 各种方法对比分析本文提出用位移主从约束关系描写不锈钢点焊车体的点焊传力,这意味着模型中的每一点焊的焊核均被凝聚成一点,那么,这种简化与其它建模方法相比精度到底多高?以下用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)为点焊结构建模来讨论各种方法的精确性.假设薄板 A 与 B 用点焊方式焊接,其厚度分别为 t1
5、 与 t2,t1 薄板右端均匀作用有F 吨拉力,t2 薄板左端被约束住.焊核为三维椭球,其最大剖面的直径为 d.在各方法的计算模型中,板的中心为焊点位置,也为坐标原点,梁单元的物理属性取决于板材,单元直径为 d,单元长度为(t1+t2)/2;刚性单元,无物理属性,单元长度为(t1+t2)/2;实体单元物理属性取决于板材,单元尺寸取决于 t1,t2;位移主-从约束不需要定义材料3属性,只需指定六个自由度之间位移主-从约束关系.以实体元计算结果为标准,t1 薄板上载荷方向的应力误差比列入附表.表中方法1 为采用梁单元;方法 2 为采用刚性单元;方法 3 为采用位移耦合.表中位置点 1 至点 8 依
6、次为 t1 薄板上过原点与载荷方向一致的坐标轴上等距离的点;位置点 9 至点 16 依次为 t1 薄板上过原点与载荷方向垂直的坐标轴上等距离的点.表中应力误差比的定义为(-0)/0,其中 0 为实体元计算结果.由附表可以看出:位移主从约束建模方法的误差较小,刚性单元和梁元的较大.实体单元和位移耦合的两个模型沿外载荷方向的应力值比较如图 1 所示.结果表明:两种模型高应力区域一致;焊核附近,位移耦合模型的应力值要大于实体单元模型的,稍离开焊核,两种模型应力值几乎相同.3 工程验证城市轻轨动车组不锈钢点焊车体是典型的点传力结构,全部采用高强度车辆专用的冷弯或轧压工艺制造的不锈钢型材.除车顶、地板的
7、波纹板之间的连接采用缝焊,其余板与梁、柱及部件与部件之间的连接均采用接触点焊.由于板薄,板与板、板与梁(柱)和柱与柱之间只能采用搭接接头,除 2 层、3 层搭接外,最多还有 5 层板搭接.该不锈钢车体大约有 4 万个焊点,该车典型的焊接示意图如图 2 所示.不锈钢点焊车体在承受外载后,载荷通过数万焊点将力传递到车体各部,并由此产生车体各处的变形与应力,这一特点,在建模时必须真实体现,否则,计算模型将会失真,并将导致计算结果失真.假定车体构件的每一“点对”之间,一旦形成点焊,尽管这一点焊事实上占有一很小的面积,但相对车体构件尺寸而言,有理由视这两点被“焊成一点”,因此,在变形的过程中,点焊可以用
8、位移主从关系来描述.4城市轻轨动车组不锈钢点焊车体有限元建模的关键问题是每一个焊点位置处必须要有结点生成.因此,在 I-DEAS 软件(10.0)中创建真实地反映不锈钢车体构件之间的相互关系的、用于划分有限元网格的三维几何时,根据点焊位置,要一一创建“锚点”6,因为“锚点”一经生成,在随后的单元网格生成过程中,“锚点”将自动转化为单元的结点,这样就为点焊的“点对”准确位置的确定创造了条件.不锈钢点焊车体四分之一的局部放大网格如图 3 所示.四分之一模型的求解规模为:单元总数132309;节点总数 134659;焊点数 8824.依据文献7进行加载计算,垂直总静载荷工况作用下车体和部件的 Von
9、.Mises 应力云图如图 4 所示.该车 FEA 计算结果与强度试验测试结果8的对比如图 5 所示,由图 5 可以看出两者基本一致,因此,该计算模型质量很高.事实上,正是由于该性能仿真模型的高可靠性,设计人员才有可能进行一次又一次的方案对比.而相对最优方案也正是在这种一次又一次对比中逐步形成的,其重要意义不言而喻.5 结 语FEA 的置信度关键在于计算模型的质量,而创建一个计算模型的必备条件是计算机、仿真软件和使用者.事实上,功能再好的仿真软件,速度再快的计算机,也只能辅助建模者提高建模的效率而不提供建模的原则与技巧,计算模型的质量主要还是取决于使用者的理论素养和建模经验.只有具有良好的理论
10、素养和厚实的建模经验才能够很好地消化吸收仿真软件中的精髓,并将其融化在仿真模型的建立过程之中,使仿真模型合理和科学.5本文基于位移主-从约束关系(位移耦合)原理模拟不锈钢点焊车体的点焊,并利用I-DEAS 仿真软件高级建模功能,建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的 FEA模型.通过 FEA 计算结果与物理试验结果的对比,证明本文的建模思想方法是切实可行的.参考文献:1内田,博行.日本不锈钢车辆技术,国外铁道车辆J,2001,38(4):1-4.2孙双进.开发生产不锈钢客车提高我国客车制造水平J.铁道车辆,1998,36(6):18-21.3周长路,范子杰,陈宗渝,等,微型客车白车身模态分析J.汽车工程,2004,26(1):78-80.4王宏雁,徐少英.有限元法在客车车身结构模态分析中的应用J.北京汽车,2002,(1):13-15.5钟万勰.计算结构力学微机程序设计M.北京:水利电力出版社,1984.6I- DEASMasterSeriesTMStudentGuideM.StructuralDynamicsResearchCorporation,199 8.7JISE7105-1989.铁道车辆车体结构强度试验方法()S.日本标准协会,1989.8天津滨海快速轨道交通不锈钢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,2003.
