城轨车辆轻量化不锈钢车体有限元分析

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1、城轨车辆轻量化不锈钢车体有限元分析摘要：根据城轨轻量化不锈钢车体的实际结构，建立车体有限元模型；参考国内外城轨车辆技术标准，确定计算载荷，进行车体应力计算及模态分析，并将计算与试验结果对比，提出改进建议。关键词：城市轨道车辆；不锈钢车体；有限元分析为提高不锈钢车辆设计和制造水平，利用MSC.Patran/Nastran有限元软件，结合天津津滨城市轨道不锈钢动车的车体结构，建立了该车体结构的有限元模型，进行强度计算和模态分析，以检验车体设计的合理性及车体结构强度是否达到设计要求，为进行车体碰撞分析和结构优化研究提供可靠依据。1轻量化不

2、锈钢车辆主要参数和结构特点所研究的车辆为B型鼓形整体承载焊接轻量化车体结构，车辆总体主要参数见表1，车体主要部件使用的材料及其性质见表2。该车体主体结构（图1）由底架、侧墙、车顶、端墙和司机室骨架组成。轻量化不锈钢车体结构与耐候钢车体一样，也是采用板梁组合整体承载全焊结构，但使用的板材更薄(车体外板厚1.5mm，梁柱厚0.8～4mm)，因此须采用大量薄板（一般为0.8mm）轧压成波纹状加强筋板与外板点焊连接形成空腔,　用来抵抗剪力引起的翘曲。加强筋板不仅可使热量堆积较少，降低蒙皮的应力，还可以使外板厚度比传统不锈钢车体减少20%左右

3、。车体的波纹顶板和地板选用的是0.6mm厚的薄板。车体的梁、柱根据受力不同采用不同强度等级的不锈钢，优化设计截面形状，尽量降低板厚，减少材料用量。采用轻量化技术后，其重量比普通钢车体大约可轻30%～40%。为减小焊接变形和防止高温下不锈钢材料机械性能下降，该车体制造中大量采用点焊技术，并用接触焊代替弧焊。车体外墙板与骨架之间采用电阻点焊连接，车体主要承载结构中的梁柱之间则采用连接板点焊和塞焊连接，板的拼接采用先进的滚焊方法。由于点焊接头的强度低，接头部位强度难以满足要求，故不锈钢车体结构中骨架连接部位采用连接板连接。通过这种连接板连

4、接方式不仅可以保证接头的强度，而且可以减小连接处的变形，保证车体的外观美[1]。2有限元模型和载荷工况2.1有限元模型的建立根据该车体的结构特点，采用MSC.Patran前处理软件建立车体的有限元模型。由于车体结构和载荷基本为纵向对称，因此，取车体的1/2进行分析。为避免开口梁单元应力失真，车顶、侧墙、端墙、底架、司机室立柱均用高精度的壳单元PSHELL。侧门框的加强槽铁则用实体单元PSOLID。螺栓连接的地方均用刚性约束单元RBE2。车体承受载荷后，通过近万个焊点将力传递到车体各部位，因此，点焊的特性需得到真实的体现。由于焊点与其

5、周围结构相比刚度较大，采用刚性约束单元RBAR来建模，定义约束方程。结构底部二系悬挂采用弹簧单元（横向和垂向）SPRING模拟。该有限元模型共由167448个节点，159608个壳单元，18个实体单元，8986个RBAR单元，156个RBE2单元，1014个弹簧单元组成。计算扭转工况和模态分析时取整车作为计算模型。2.2载荷工况参照标准[2]，确定表3中的7种工况进行计算。该车体采用空气弹簧，因此，动载荷系数k取1.1[3]。2.3计算载荷和边界条件的处理有限元模型的载荷位置、大小、方式根据实际载荷情况并参照标准[2]进行处理。车体

6、钢结构重量通过施加惯性力得到体现，重力加速度为9.8m/s2；车体除钢结构外的其他重量及超员重量是取一半以均布压力的形式施加在地板上，垂向空载时地板均布力为2.79kN/m2，垂向总载时地板均布力为6.29kN/m2；该车有2个空调机组，每个空调机组的重量均匀分布在空调机组安装座上，空调均布载荷为13kN/m2；纵向载荷为集中载荷，取一半施加在牵引梁上车钩安装位置，拉伸载荷为320kN，压缩载荷为400kN；扭转载荷40kN/m施加在边梁顶车位上。因结构和载荷对称，上述工况除工况５外，都要在纵向中央截面上施加对称约束。所有工况都要对

7、弹簧施加垂向和横向约束，由于纵向只需约束刚体位移，因此，只需在车体一端任选两点约束其纵向位移。因结构和载荷对称，上述工况除工况５外，都要在纵向中央截面上施加对称约束。所有工况都要对弹簧施加垂向和横向约束，由于纵向只需约束刚体位移，因此，只需在车体一端任选两点约束其纵向位移。3计算结果分析3.1应力分析对于材料的许用应力，参考了相关标准[2～5]，并结合该不锈钢车体的特点，确定了不同工况下的安全系数。对只承受垂直载荷的工况安全系数取1.3，许用应力为材料的屈服极限除以安全系数；对既有垂直载荷又有纵向载荷的工况安全系数取1.1，许用应力

8、为材料的屈服极限除以安全系数；扭转工况的安全系数取1.3，许用应力为对称循环疲劳极限除以安全系数。各工况下材料的许用应力值见表4。垂直总载工况下，司机室骨架的最大应力39.1MPa，发生在司机侧门和车顶连接处。端部底架的最大应力141