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车辆不锈钢车体的强度有限元分析

发布于:2019-07-30 19:51
有限元分析

      不锈钢车体具有强度一重量比高,耐腐蚀性强,安全性高,使用寿命长和维护量少的特点,因此不锈钢车体对于列车轻量化、降低车辆和线路的维护费用有着重要意义。目前不锈钢车体已经在国外的城轨车辆中有了广泛的应用。我国近年来也开始了对不锈钢车体的研究开发。不锈钢车辆相对传统的碳钢车辆而言,除了在材料上的区别外,还有着自身的结构特点。为确保机车车辆在工作状态下的安全可靠,不锈钢车体结构同样要求具有足够的强度和刚度,并满足相关技术标准。而在施工设计后进行有限元分析计算可以检验设计的合理性和结构是否达到设计要求,并对车体结构改进提供科学依据。本文结合国内某地铁不锈钢车体的结构特点,建立了车体结构的有限元模型,对其强度进行计算分析。
      该地铁不锈钢车辆属于B型车,包括头车和中间车,其车体主要承载件,除头车司机室和牵枕缓部件由钢构件焊接而成外,其余构件均由不锈钢SUS301和SUS304焊接而成,主要焊接形式是点焊和圆弧焊。头车车体结构包括司机室、侧墙、底架、车顶和端墙5部分;中间车车体结构不带司机室,端墙为前后两个,其余结构与头车基本相同。以下分析主要结合中间车车体结构进行。不锈钢中间车车体钢结构采用整体承载无中梁的薄壁筒形结构。底架骨架主要由牵引梁、枕梁、缓冲梁、中部横梁和连接板组成。为了满足强度要求,在枕梁及枕梁以外的牵引梁处均加了补强板。为了使力传递到车体中部,在枕梁以内还加了纵向加强梁。侧墙骨架主要由侧墙下边梁、侧墙立柱、侧墙横梁、门框、加强横梁和连接板组成。端墙骨架主要由端立柱、端横梁、补板和连接板组成。车顶骨架主要由车顶边梁、车顶横梁,平顶纵、横梁等组成。区别于传统的碳钢车体骨架梁件之间的搭接缝焊连接,不锈钢车体主要采用连接接头连接。该车参考日本轻型不锈钢车辆的骨架连接方式,通过对车体各骨架连接部位设计的归纳分析,大多数接头采用一种基本的连接方式—立体接头连接。   
      接头中连接板1与侧墙板、车窗横梁、侧立柱之间采用双排点焊连接;连接板2与窗间横梁、腰带梁、侧立柱腹板之间采用塞焊连接;连接板3与车顶边梁塞焊连接、与侧墙上方小立柱盖板双排点焊连接。这样既可以保证接头的强度,又可以减少侧墙车窗横梁、腰带梁和侧立柱盖板、腹板和翼板的焊接变形,保证车体外观的平整度。不锈钢车体结构中底架横梁和底架边梁之间,车顶弯梁与车顶上边梁之间,端墙立柱与端墙横梁之间等都采用这种立体接头的连接方式,只是连接板的结构稍有不同。   
      在侧墙、车顶和端墙骨架外面,底架骨架上面分别点焊有侧墙板、端墙板、车顶板和波纹地板。值得注意的是,为了增加侧墙板和端墙板碳钢车中称为蒙皮的刚度,减少局部振动,在侧墙板和端墙板的纵、横梁之间增加有加强横梁如图所示,但这些加强横梁与侧墙或端墙的纵横梁并不焊接,而是直接与侧墙板或端墙板点焊连接。
      在分析了不锈钢车体的结构特点的基础上,结合材料的力学性能,采用有限元AppANSYS建立车体的有限元模型。由于不锈钢车的零部件基本是薄壁构件,所以车体结构全部采用壳单元shell63模拟;底架设备和空调、门窗以质量单元mass21的形式施加在各自的位置上;二系悬挂采用弹簧单元combin进行模拟;内装、管线等垂直荷载以均布荷载施加在地板上。



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