《地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、都市快轨交通第 20卷 第 5期 2007年 10月学术探讨U R B A NR A P I DR A I LT R A N S I T 地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析周 伟( 中南大学 长沙 410075)摘 要 简要介绍有限元强度计算和模态分析的相关理论,应用有限元分析软件 A N S Y S ,建立地铁动车不锈钢车体结构的有限元分析模型,确定有限元模型的计算载荷和评定标准,计算车体在给定工况下的静强度,以及整备状态下的固有频率和振型。结果表明,车体静强度及刚度在各运用工况下都能满足相关标准要求。关键词 不锈钢车体 有限元 强度 模态随着城市轨道交通的快速发展及轨道车辆制造水平的不断提
2、高 ,不锈钢车体以其高强度质量比 、 维护费用低 、耐腐蚀性好 、 外形美观 、 使用寿命长、安全性高等优点,得到了越来越多的青睐,广泛应用于地铁车辆车体的制造 。为检验车体设计的合理性,并为车体结构优化提供可靠依据 ,必须对车体结构进行静强度计算和模态分析。近年来 ,随着计算机硬件水平的不断提高, 基于有限元方法的大型限元分析软件得到了越来越多的应用,利用大型有限元分析软件进行车体结构的强度分析,一定程度上取代了传统静强度试验的方法,大大节约了试验成本 ,并且能够较好地与试验结果相吻合。本文针对地铁车辆轻量化不锈钢车体 1,利用大型有限元分析软件 A N S Y S 建立动车车体的有限元模型
3、 , 进行有限元静强度计算和模态分析 ,以得到车体结构在各工况下的应力水平 、应力分布 、刚度 、自振频率及振型 。1 车体结构特点动车 车 体 长 度 19 000 m m, 车 体 最 大 宽 度3 300 m m ,车体自重 8. 033 t ,转向架重量 13. 46 t , 轴重12. 9 t ,转向架轴距 12 600 m m 。车体结构采用薄壁筒型整体承载结构 ( 如图 1所示 ) ,由底架 、侧墙 、端墙和车顶构成 。其中 , 底架由牵引梁 、缓冲梁 、端部横梁 、中部横梁 、边梁和连接板组成 ,在枕梁和牵引梁处均加有补强板 ; 侧墙由侧墙立柱、收稿日期:2007-06- 05
4、 修回日期:2007- 06-18作者简介: 周伟, 男, 轨道交通安全教育部重点实验室, 硕士研究生,z h o u w e i 000126. c o m侧墙横梁 、侧墙下边梁 、加强横梁和连接板组成 , 大量采用帽型型材和箱型型材 , 不锈钢车体侧墙骨架主要采用立体接头连接 ,侧墙车窗采用单元组合式整体车窗 ; 端墙主要由端墙立柱 、端墙横梁 、补强板和连接板组成 ; 车顶主要由车顶边梁 、车顶横梁 、平顶纵 、横梁等组成 ,其中车顶弯曲横梁采用乙型型材 , 平顶纵 、横梁采用帽型型材 。车顶和底架采用波纹地板以增加刚度 ,以便能更加有效地承受和传递载荷 。图 1 车体有限元分析模型及侧
5、墙板上压筋和加强横梁2 控制方程2. 1 有限元求解方程根据虚功原理 ,建立整个系统的能量守恒方程 ,再根据最小位能原理 ,从而得到有限元求解方程为K a =P( 1)式中 : K 为结构的总体刚度矩阵 , a 为节点位移列阵 , P为节点载荷列阵 。引入位移和载荷边界条件 ,对式 ( 1) 形成的大型方程组求解 ,即可求出结构节点位移 , 进而通过弹性力学几何方程和物理方程可求出结构的应变和应力 。2. 2 模态计算方程在动力学问题中 , 无阻尼多自由度离散系统的自由振动方程为MX+K X=0( 2)式中 : M和 K 分别为质量矩阵和刚度矩阵 。通过对 X 进行线性代换 X = Y , 可
6、得到齐次不耦合方程的解及第 i 个振动模态的频率 i。将齐次不耦合方程两端同时乘以 M- 1,可得I Y+ D Y= 0( 3)47都市快轨交通第 20卷 第 5期 2007年 10月U R B A NR A P I DR A I LT R A N S I T式中 : I 为单位矩阵 。依式 ( 3) ,可得系统的特征方程为D- I = 0若 i为特征值 , 则系统的固有频率由 i=2 i决定 ,并可依据 i得到相应的振型 ,即特征向量 2。3 有限元计算模型3. 1 车体有限元模型的建立考虑到车体结构的对称性和计算规模 , 应用全板结构 建立 1/2 模 型 , 并 用 S h e l l
7、63 单 元 进 行 离 散 。S h e l l 63单元为 4节点空间四边形单元 , 每个节点具有6个自由度 ,沿节点坐标系 X 、Y 、Z 方向的平动和绕节点坐标系 X 、Y 、Z 轴的转动 , S h e l l 63单元既具有弯曲能力又具有膜力 , 可以承受平面和法向载荷 。按照车体实际尺寸给各面元赋予不同厚度实常数并离散位壳单元 ,可以较准确地模拟车体实际结构 3。对 1/2模型对称面上的节点设置对称约束 ,对心盘、旁承承载可通过 A P D L 语言在心盘、旁承处创建 b e a m 4单元组来进行模拟 ,单元组公共节点设置垂向约束。网格划分后最终得到 119 929个节点 ,
8、127 674个单元 ,其中S h e l l 63单元数为 126 534个 , b e a m 4单元数为 1 140个 。3. 2 载荷工况的确定3. 2. 1 垂向静载工况车体自重 8. 033 t ,车顶和车底设备重量作为垂向集中载荷作用在相应的设备安装位置 , 乘客及装修质量作为垂向均布载荷作用在波纹地板上 。M车在超员载荷下为最大载客情况 , 乘客为 325人 ,每人质量按 60 k g 计算 ,共 19 500 k N , 均匀作用在波纹地板上 ; 顶部和底部设备重量 21. 9 k N 作用在相应位置 。对半车模型载荷值相应取半 。3. 2. 2 纵向压缩工况取纵向压缩力为
9、800 k N ,对 1/2模型取 400 k N ,通过车钩牵引装置作用在车体上 。3. 2. 3 纵向拉伸工况取纵向压缩力为 640 k N ,对 1/2模型取 320 k N ,通过车钩牵引装置作用在车体上 。这里主要以垂向静载 、垂向总载 + 纵向压缩和垂向总载 + 纵向拉伸 3个工况作为第一 、第二和第三工况来进行计算和考核 。4 车体结构有限元静强度分析4. 1 有限元静强度计算建立三个载荷步 ,分别施加垂向静载 、纵向压缩和纵向拉伸载荷及相应的边界约束 ,对三个载荷步进行求解 ,求解完通过工况叠加来查看车体在第一工况 、第二工况和第三工况下车体结构应力水平和应力分布 。本计算所有
10、应力结果采用当量应力 ,此应力不得超过许用应力 。参照文献 4 , 不锈钢 S T 屈服强度为412 M P a ,许用应力 282 MP a ; 耐候钢屈服强度为 294MP a ,许用应力为 184 M P a 。当量应力的计算公式为e= S Q R T ( 0. 5( ( 1- 2)2+ ( 2- 3)2+ ( 3- 1)2) )式中 , e为当量应力 /MP a , i为主应力 /M P a , S Q R T 表 示对表达式开平方根 。4. 2 静强度计算结果各工况下车体车顶结构、侧墙结构 、底架波纹板和耐候钢结构的应力水平如表 1所示。其中第一工况下车体最大应力为 184. 169
11、 M P a ,出现在车顶波纹板与平顶交界处 ,侧墙结构的最大应力点出现在门立柱与窗顶横梁的交接处 ,底架波纹板最大应力点出现在波纹地板与牵引梁交界处,耐候钢结构最大应力点出现在枕梁与牵引梁交 接处; 第二工况 下, 车 体最大应力为 247. 104M P a ,发生在车顶波纹板与平顶交界处,侧墙结构的最大应力点出现在一位端第二个门立柱与门底下横梁交接处 ,底架波纹地板最大应力点出现在靠枕梁第一根弯曲横梁位置 ,耐候钢结构最大应力点出现在枕梁与边梁交 接处 ( 见图 2) ; 第三工况下 ,车体最大应力为168. 462 MP a ,发生在侧墙门立柱与底架边梁相交处 ,车顶结构最大应力点出现
12、在车顶波纹板与平顶交界处 ,底架波纹板最大应力点出现在牵引梁与波纹地板相交处 ,耐候钢结构最大应力点发生在车钩牵引装置处 。表 1 各工况下不同结构处的应力水平M P a工况车顶侧墙底架波纹板耐候钢结构第一工况1841196843第二工况247169180124第三工况13316812290许用应力282282282184图 2 第二工况下车体和耐候钢结构的应力分布48地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析U R B A NR A P I DR A I LT R A N S I T 车体侧墙结构的加强横梁和压筋结构改善了侧墙蒙皮的纵向刚度和垂向刚度,实现了更有效的承载和传载 ;车体纵向载荷主要由底
13、架承受,枕内纵向力主要靠波纹地板和底架边梁传递 ,由结果可以看出整个底架结构应力分布比较均匀 ,有效地传递了纵向压缩和纵向拉伸载荷 。4. 3 变形和刚度分析车体在垂向总载作用下 , 底架下边梁中部垂向挠度 fc=5. 873 m m ,两转向架中心距为 L2= 12 600 m m, fc 1. 3 109N m2,满足文献 4的标准要求 。5 车体的模态分析为避免车体自振频率与转向架固有频率过于接近而产生共振 , 造成轮轨间作用力剧增 , 降低乘坐舒适性 ,危及行车安全 ,需对车体进行模态分析 5。取整车结构建立力学模型做整备状态下的无约束模态分析 ,设备质量以 MA S S 21单元的形
14、式加在相应部位 ,结构离散后共有 233 212个节点 , 250 284个单元 ,其中壳单元 250 096个 , 质量单元 188个 。模态求解器选择分块 L a n c z o s 法 ,从 1 1 000 H z 中选取 10阶模态进行计算 。经计算前六阶的振动频率如表 2所示 ,各阶振型图如图 3所示 。表 2 车体自振频率及相应振型阶数123456频率 /H z 12. 31814. 06915. 06916. 99117. 1318. 149振型反对称 扭转一阶 扭转一阶垂 向弯曲车顶局 部振动车顶局 部振动车顶局 部振动6 结论( 1) 使用壳单元来模拟车体钢梁板结构 ,能够较
15、图 3 车体振型图好地反映不锈钢车体的结构特点 ,是车体结构强度分析的有效手段 。( 2) 经有限元静强度计算 , 车体给在各工况下的应力水平都小于相应结构对应的许用应力 ,且其垂向刚度变形在允许范围内 , 强度和刚度满足文献 4的要求 。( 3) 经模态计算 , 该车体整备状态下自振的一阶垂向弯曲振动频率为不低于 10 H z ,避开了转向架的点头频率 ,满足要求 。( 4) 数值仿真分析结果表明 ,在满足强度和刚度要求的基础上 ,车体结构应力分布均匀 ,充分发挥了不锈钢车体的材料特性 ,并实现了车体重量的轻量化 ,结构设计准确合理 。参考文献 1 南车四方机车车辆股份有限公司 . 成都地铁
16、 1号线一期工程地铁车辆招标文件 G . 青岛 , 2007. 2 鲁寨军 ,田红旗 ,周丹 . 270 k m h-1高速动车模态分析 J . 中国铁道科学 , 2005, 26( 6) : 18 - 19. 3 赵俊杰 ,鲁寨军 ,徐程 . 新型 108 t 通用敞车车体结构强度分析 J . 机车车辆工艺 , 2006( 1) : 6 - 8. 4 T B /T1335 1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 S . 北京: 中华人民共和国铁道部 , 1996. 5 王丹 ,李强 . 高速客车车体钢结构弹性模态分析研究 J . 北方交通大学学报 , 2001, 25( 4) : 94- 96. C a l c u l a t i o no f S t a t i cS t r e n g h t ha n dM o d a l A n a l y s i s o
