畢業(yè)設計單軌工程車車體設計

1、第1章 工程車技術方案1.1工程車的組成根據(jù)工程車功能的要求，把工程車設計成一種既滿足線路救援，又滿足消防作業(yè)要求的車輛。1)工程車由底架、車廂、操作駕駛臺、動力源、傳動裝置、走行裝置、制動裝置、聯(lián)掛車鉤、整車起吊掛座、照明裝置及隨車工具等組成。2)車輛搭載消防設備l套。3)車輛搭載救援設備1套。4)車輛設置工作裝置電源接口4套。1.1.1底架1)工程車采用底架承載結構，主要由兩根中梁、兩根側粱、前后端梁及數(shù)根橫向連接梁等組成，中梁和側梁由厚5mm鋼板折彎成形，具有足夠的強度和剛度，承載性能良好，底架及其它結構件的關鍵部位的焊縫均進行探傷鑒定，其使用壽命可達到25年以上。2)走行輪通過支座安裝

2、在兩根中梁之間。3)工程車在偏載1噸狀況下能安全穩(wěn)定運行及作業(yè)。4)在車輛底架大梁4個角上對稱設置4個起吊座，保證車輛起吊時重心平衡，在整車起吊時，利用4根起吊專用鋼絲繩分別掛在4個起吊座上，鋼絲繩斜向上穿過駕駛室天窗掛于起重機的掛鉤上，用起重機對單軌跨座式工程車整體起吊。1.1.2車廂1)廂設計為不承受結構載荷，設計牢固合理，采用輕質(zhì)矩形鋁合金（30mm*30mm）制作而成，外形美觀；2)車廂為整體密封式結構，車廂外皮采用預應力方式安裝而成，車廂壁為夾層，夾層間裝有隔熱、防噪層。按國家相關規(guī)定的要求進行漏水及隔熱等試驗。車廂前后設有4個大燈，車廂側面每側開設4個窗戶（高750mm，寬lloo

3、mm），車廂兩端分別安裝2個擋風玻璃（高790mm，寬790mmm），擋風玻璃上安裝電動雨括器，保證駕駛員及室內(nèi)人員嘹望，視野良好。3)車廂前、后及兩側中部各開1道門（高1700mm，寬650mm），前后端門便于人員出入和聯(lián)掛車輛；車門內(nèi)側設有爬梯扶手方便工作人員上下。4)車廂頂棚骨架承受250kg，滿足2名作業(yè)人員在車頂進行施工作業(yè)。5)車廂內(nèi)設置2匹的海爾空調(diào)設備，其用電由車載發(fā)電機供應，前進方向左側各設一個駕駛操作臺，司機座椅、工具箱等。車廂內(nèi)兩側設有活動翻板供作業(yè)人員下到工作平臺內(nèi)，發(fā)動機上方地板為活動蓋板，打開活動蓋板則可維護和檢修發(fā)動機。地板中部設置一個活動蓋板，并設有上下扶梯，供

4、工作人員下到pc梁上平面，對pc梁上平面進行檢修。6)車廂內(nèi)兩側根據(jù)救援過程中常用工具的具體類型、大小及數(shù)量設置工具柜。1.1.3動力源工程車動力源選用東風康明斯isde230 30車用柴油機，帶充電發(fā)電機、起動電機，該機型技術性能先進，具有故障少、扭矩儲備系數(shù)大、燃油消耗率低、噪音小、使用壽命長等特點，滿足euroiii排放標準。額定功率169kw，額定轉(zhuǎn)速2500rpm，最高轉(zhuǎn)速2850rpm，最大扭矩900nm，滿足euroiii排放標準。 其主要技術參數(shù)和規(guī)格如下： 型號：東風康明斯電控發(fā)動機isde230 30 型式：直列六缸、四沖程、增壓空冷 外形尺寸（長x寬x高）：1026mm6

5、99mm912mm 怠速：600-800rpm 額定功率轉(zhuǎn)速：169kw/2500rpm 最大扭矩/轉(zhuǎn)速：900nm/(1200-1700) 起動方式：dc24v電起動 凈重：509kg發(fā)動機通過外罩采用整體密封布置在車廂內(nèi)，發(fā)動機外罩設為夾層，夾層問裝有隔熱防噪層。發(fā)動機罩可以方便地整個翻開，便于發(fā)動機日常維護保養(yǎng)，發(fā)動機通過減震橡膠墊安裝在底架中梁上，減震效果良好，發(fā)動機重心在保證其維修保養(yǎng)方便的情況下處于最低位置，突出地板面不高于300mm，油箱容量可以滿足發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)20小時，油箱加油口位于底架地板面，加油方便。發(fā)動機所產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過消聲、凈化后，向上通過鋼管排出駕駛室外，產(chǎn)生的熱氣

6、從車輛側面排出車廂外。選用的發(fā)動機技術參數(shù)通過計算留有足夠余量。1.1.4 駕駛操作臺1)車廂兩端前進方向左側各設有一個駕駛操作臺，駕駛員座椅可調(diào)整前后、高低位置，駕駛員通過調(diào)整能夠選擇到合適的駕駛操作位。2)駕駛操作臺面上設有發(fā)動機轉(zhuǎn)速表、發(fā)動機小時計、速度里程表、燃油油量表、發(fā)動機水溫表、發(fā)動機機油壓力表、充放電電流表，各儀表均具有油液防震功能。3)臺面上安裝有發(fā)動機起動指示燈、電笛按鈕、機油壓力報警燈、水溫報警燈、及車輛前牽、后牽、制動、超速和檢修工作平臺升降狀態(tài)指示燈，儀表盤上設有防眩儀表燈，滿足在夜間和隧道內(nèi)駕駛的要求。4)駕駛操作臺上控制前進與后退開關與調(diào)速電控手柄相互連鎖，只有方

7、向一致時車輛才能運行。要求車輛前進時，操縱變速手柄，駕駛控制功能齊全，操作方便簡單、維修簡單。駕駛臺下設有制動踏板，側面設有側蓋板，打開蓋板即可方便檢修各電纜接線端子等設施，各操作元件方便靈活、司機所有的操縱控制均由總電源開關及啟動鑰匙來控制。5)前后駕駛操縱臺上均安裝有與工程車兩側檢修工作平臺進行聯(lián)系的車載有線對講設備（型號：rqho1a），司機可與兩側檢修工作平臺上的施工人員及時聯(lián)系，有線對講裝置具有免提功能并能保證在發(fā)動機工作噪音環(huán)境下能進行正常聯(lián)絡。1.1.5走行裝置工程車走行裝置包括：減振裝置、單軸轉(zhuǎn)向架、牽引平衡拉桿、走行輪軸支座、走行輪、導向輪、穩(wěn)定輪、輔助救援輪等組成。1、減振

8、裝置設有彈簧緩沖及液壓減振器減振，彈簧懸掛系統(tǒng)主要由四個鋼圓簧組成：圓彈簧選用鐵路機車所使用的標準彈簧，該彈簧的參數(shù)為：簧條直徑d=32mm；簧圈直徑d=172mm;總圈數(shù)n總=7.5圈；工作圈數(shù)n工=6圈；自由高度h=320mm；剛度k=34.4kgf/mm。2、本轉(zhuǎn)向架類似于單軌跨座式客運車輛的轉(zhuǎn)向架結構，主要由兩個走行輪、四個導向輪、兩個穩(wěn)定輪等組成。走行輪安裝在走行輪軸上，再通過走行輪軸支座與轉(zhuǎn)向架聯(lián)接。工程車采用鏈條和齒輪傳動，走行輪與齒輪箱輸出軸之間采用齒式聯(lián)軸器，齒輪箱和齒輪箱之間用萬向節(jié)連接，兩個萬向節(jié)之間的軸采用內(nèi)外花鍵配合，車輛過彎道時，萬向節(jié)可以伸長一定的距離來傳遞動力，

9、前后車輪的轉(zhuǎn)速相同，使轉(zhuǎn)向架順利過彎道轉(zhuǎn)向，因而工程車在過彎道時不會出現(xiàn)行走輪滑移的現(xiàn)象，很好地解決了輪胎的磨損問題，提高行走輪胎的使用壽命。工程車轉(zhuǎn)向架上所安裝的導向輪和穩(wěn)定輪與行走輪在同一橫斷面上處于同軸線位置，并且轉(zhuǎn)向架與車底架為彈性結構聯(lián)接，轉(zhuǎn)向架與底架具有一定的相對移動量，可相對獨立運行，每個轉(zhuǎn)向架上的導向輪與穩(wěn)定輪通過一定的預緊力時刻緊貼pc梁側面，因而車輛在平直道與彎道上運行時，導向輪和穩(wěn)定輪始終不離開pc梁面，使車輛運行安全、平穩(wěn)。3、每個轉(zhuǎn)向架有一個牽引拉桿和一個平衡拉桿與車輛底架相聯(lián)，全車共有兩個牽引拉桿及兩個平衡拉桿，牽引拉桿的作用是傳遞牽引力或制動力；平衡拉桿的作用是為

10、牽引力或制動力提供平衡反力矩，同時克服運行過程中轉(zhuǎn)向架構架的點頭運動；同時牽引拉桿和平衡拉桿均小妨礙轉(zhuǎn)向架相對于車體的轉(zhuǎn)動。牽引拉桿和平衡拉桿結構基本相同，其兩端的定位銷為厚的橡膠套，屬于彈性關節(jié)。整個轉(zhuǎn)向架通過牽引拉桿和平衡拉桿與車輛底架實現(xiàn)縱向定位，橫向由轉(zhuǎn)向架與側梁之間的彈性側檔定位，垂向定位由單圈鋼圓簧實現(xiàn)。4、每個單軸轉(zhuǎn)向架上均設置兩個救援輪，當出現(xiàn)其中一個轉(zhuǎn)向架中的走行輪爆胎時，則該轉(zhuǎn)向架上安裝的兩個救援輪立即支撐在pc梁上，從而支撐起整個車輛，具有行走輪防爆功能。5、走行輪采用充氣輪胎（型號：345/85 r16xpma tl），導向輪及穩(wěn)定輪(型號：5.00-8)選用實芯橡膠輪

11、胎，導向輪、穩(wěn)定輪與車體為非鋼性連接，各輪對pc側面壓力通過彈簧調(diào)節(jié)預緊力，軸距與走行輪軸距相同。工程車走行輪輪胎均由減速器輸出的動力通過鏈條傳遞到走行輪，走行輪軸承支座通過八個m20螺栓固定在轉(zhuǎn)向架上；走行輪胎拆裝比較方便，在行走輪胎正上方的車廂項部上開有天窗，室內(nèi)地板上開有拆裝輪胎的蓋板，拆裝輪胎時吊裝鋼絲繩可通過天窗與蓋板利用行車起吊輪胎。如其中任一行走輪胎出現(xiàn)爆胎或胎壓不正常，工程車整體會呈現(xiàn)下降，這時安裝在工程車上的限位裝置與pc梁面接觸，駕駛操作臺即出現(xiàn)指示燈報警，司機據(jù)此可判斷行走輪胎出現(xiàn)爆胎或胎壓不正常。走行輪、導向輪、穩(wěn)定輪完全滿足車輛正常行駛以及重載、偏載等特殊情況下的安全

12、要求。6、走行裝置結構件選材滿足技術要求及使用功能需要，消除加工應力集中，熱處理后做作探傷檢查，出具探傷檢查報告，消除故障隱患。1.1.6電控系統(tǒng) 1)本工程車每臺均由4個風帆蓄電池（型號：6-q-190a）組成，分組設置為24v電源，由電磁開關控制，轉(zhuǎn)換開關控制，電源進出線經(jīng)過保險，防止過載的發(fā)生，在欠載情況下電磁開關不能動作，保證電壓、電流穩(wěn)定輸出。2)工程車控制電路均為24v負極搭鐵接地直流電路。設有24v配電箱1個，位于前司機座椅下，低壓配電箱1個，設在后司機椅下，便于施工人員臨時搭接電源。3)工程車電氣線路均采用阻燃、無毒的機車電纜，各接線端子用號碼管進行標注，為今后檢修拆裝提供方便

13、。電纜盡可能排布在電纜槽內(nèi)，延長使用壽命且美觀。所有d24v電氣開關及按鈕均選用西門子和德力西等國際知名品牌。4)根據(jù)車載信號設備的要求，預留有信號設備的固定安裝位置及所需的電源接口。1.1.7消防救援設備（表1）表1序號名稱數(shù)量尺寸1推車式干粉滅火器30kg440040010002消防水防水槍21503004004異形接口21501501505卡式分水器12004005006防毒面具s101502002507防毒面具x101201201208空氣呼吸器53003007009金屬切割機230040090010大斧130200100011小斧102510065012鐵鋌

14、230150110013千斤頂230030080014等離子切割器230030060015高空緩降器220030050016繩索套裝1300400600317拋繩槍240050013001.1.8 制作要求1材料要求：工程車所選材料具有阻燃、少煙、低毒，并能在酸雨和高濕度下長期露天作業(yè)，滿足國標要求。鋼材均作除銹、防腐處理，部分型鋼及板材進行熱浸鍍鋅防腐，使用耐侯性良好的立邦漆涂料。2加工要求：鋼材彎曲采用折彎壓力機加工，材料切割、連接孔采用鋸床和沖床冷加工制作。所有加工表面、毛邊飛刺均進行打磨等處理，不留氣割焊接痕跡。3.焊接要求焊接焊縫符合國標要求，事先按設計工藝制定焊縫檢查計劃并對重要焊

15、縫按計劃作探傷檢查出具報告。根據(jù)被焊材和焊接要求，選擇相應焊料和焊接設備和容量，根據(jù)構件要求由相應等級的焊工施焊。（1）放樣點焊車輛大梁及構件等的焊接均在專用平臺上放樣點焊，按幾何尺寸1：1展開實樣加工胎模具并按照多面樣的構架其共同邊線一致的原則順序翻轉(zhuǎn)放樣點焊。零部件放樣后經(jīng)調(diào)整、檢查形位尺寸符合要求后，開始點焊。放樣點焊后校對構件的尺寸偏差、形位公差，查所有形位尺寸，符合設計要求和規(guī)定。(2)連接焊接放樣點焊經(jīng)檢查合格后連接焊接，焊條型號符合設計要求，受潮焊條應烘干?？刂坪附与娏?、采用對稱焊接法減小焊接變形。邊接焊接后，各部位的尺寸偏差、形位公差符合設計的規(guī)定。(3)焊后矯正焊接完成后進行

16、尺寸偏差、形位公差檢查，不符合設計要求，應進行機械矯正。矯正后的尺寸偏差、形位公差必須符合圖紙的設計規(guī)定。梁柱矯正完畢，經(jīng)質(zhì)量部門、技術部門、生產(chǎn)車間共同檢查無誤后方能進入下步工序。4表面涂飾要求需涂飾表面首先必須進行除銹、除油處理；然后進行噴涂處理，涂層包括有防銹底漆、中間涂層、表面涂層，根據(jù)具體要求每層進行二至三次噴涂；工程車現(xiàn)場安裝完畢后，如發(fā)現(xiàn)有涂層受損，受損處用與表面涂層同質(zhì)、同色的涂料進行補漆，補涂后沒有色差和痕跡。涂層色彩在設計聯(lián)絡時確定。5、電路布局要求電路電纜充分考慮需求，并預留接口，合理規(guī)范敷設，避免混亂。1.1.9試驗要求工程車在出廠前根據(jù)型式試驗大綱的要求進行型式試驗，

17、在現(xiàn)場安裝調(diào)試完成后，試運行之前進行例行試驗，其詳細試驗大綱及救援預案由承包商建議并事先送交業(yè)主批準。限界試驗、載荷試驗 制動試驗、救援試驗等均為是例行試驗。出廠前做型式試驗并出具型式試驗報告以作出廠驗收依據(jù)，未作項目在現(xiàn)場安裝后完成。在現(xiàn)場安裝調(diào)試完成后試運行之前，做例行試驗，只有完成例行試驗大綱所規(guī)定的項目，才能進入試運行。1.1.10 低壓配電箱工程車設有24v配電箱1個，位于前司機座椅下，低壓配電箱l個，分別設在后司機椅下，箱內(nèi)配備380v及220v的電源接口，便于救援人員臨時搭接電源，保證救援中用電的需求。1.1.11車體的防雷接地為保正工程車雷雨季節(jié)亦能進行救援作業(yè)，在車體前后留接

18、地口，車體用50mm2的電纜線與pc梁的防雷接地連接，這樣保證了車體接地，為維護、檢修方便接地線初步定為30m。1.1.12照明設備及蓄電池1工程車照明設備分兩類：一類是車輛安全運行所需的燈光照照明及救援照明由車內(nèi)dc24v直流供電。2每臺工程車配有4個風帆蓄電池（型號：6-q- 195a）其容量可以保證發(fā)動機熄火狀況下，為車上所有照明設備、信號設備等提供l小時連續(xù)供電。1.1.13部件、零配件要求1本著標準化、系列化、通用性強的原則，部件、零配件均選用國內(nèi)外先進成熟的知名品牌，便于今后維護用零配件的采購。2所供隨機備品備件及專用工具，其目錄由承包商提出建議經(jīng)業(yè)主確認。1.2 承載形式的選擇車

19、體的承載形式分為三種:1.2.1底架式承載結構全部載荷均由底架來承擔的車體結構稱為底架承載結構。不需要車體的其他部分承載，故作用在車體上載荷完全由底梁來承擔。正因如此，中梁和側梁都需要做得比較強大。為了使受力合理，中、側梁均制成中央斷面尺寸比兩端斷面尺寸大的魚腹型，即為近似等強度的梁。 圖 2-1 魚腹形梁底架承載結構1.2.2側壁和底架共同承載結構載荷由側、端墻與底架共同承擔的車體結構稱為側墻和底架共同承載結構。由于側、端墻分擔了部分載荷，減輕了底架負擔，所以底架就可以相對輕巧些，中、側梁斷面均可減小，中梁不需要制成魚腹形梁。側梁可用斷面尺寸比中梁小的型鋼制成，減輕了底架的重量。側壁和底架共

20、同承載結構又可以分為桁架架式結構和板梁式結構兩種：如圖2-1、2-2。圖2-2 桁架架式結構圖 2-2板梁式結構1.2.3整體承載結構在板梁式側、端壁上固接由金屬板、梁組焊而成的車頂，使底架、側端墻、車頂車牢固地組成為一整體，且車體各部分均能承受垂向力和縱向力。這種結構稱為整體承載結構。整體承載結構可分為開口箱形結構和閉口箱形結構兩種。底架沒有金屬地板，僅由各梁件和鍍鋅鐵皮組成的開口箱形結構；底架上設有金屬地板的閉口箱形結構，也稱筒形結構。圖 2-4 整體承載結構(a) 開口箱形結構 （b）閉口箱形結構 （c）無中梁底架結構因為工程車輛要滿足不同工作狀況的需要，這就要求工程車車體可以根據(jù)不同工

21、作狀況而選擇不同的車體或者對車輛進行改裝，為了方便更換車體，因此，工程車的承載形式采用底架承載結構。1.3 車體材料和結構的選擇車體是車輛結構的主體。車體的強度、剛度，關系到運行安全可靠性和舒適性；車體的防腐耐腐能力、表面保護和裝飾方法，關系到車輛外觀、壽命和檢修制度；車體的重量，則關系到能耗、加減速度、載客能力乃至列車編組形式(動拖比)。以上所述都直接影響運營質(zhì)量和經(jīng)濟效益。車體結構形式、性能和技術經(jīng)濟指標主要取決于車體材料。故車體選材一開始就成為選擇城軌系統(tǒng)時必須同時考慮的諸多重大要素之一。車體材料有三種，耐候鋼、不銹鋼、鋁合金。1.3.1耐候鋼車體耐候鋼車體采用板梁組合整體承載全焊接結構

22、。制造廠先將購進的冷軋定尺板材或?qū)峥拙砹祥_卷、矯平，切斷的板材經(jīng)磷化預處理。車體的外板(一般厚為2mm)，是將預處理后的板材用縫焊機接寬接長；梁柱則將預處理后的板材 (一般厚2.5mm)剪切下料、軋壓、冷彎或拉延成型。對于像底架邊梁、車頂側板那樣大型板梁，一般可采用冷彎型材(厚36mm)。板和梁(柱)間采用點焊或塞焊，梁柱間采用弧焊(用焊條或二氧化碳氣體保護焊)。車體采用大部件組裝方式：將底架、側墻、車頂、端墻部件預先組成后再組成車體。經(jīng)變形矯正(打平)后的車體送到油漆工序。底漆、面漆涂完后鋼結構車體才算完成(也可在車輛總成涂面漆)。在車體設計開始，梁柱布置完成后用三維有限元法進行車體強度計

23、算。在頭一輛車體制造完工后，進行強度試驗。車體的強度試驗屬于形式試驗，即同種車只試驗一臺，在油漆前進行。車體需經(jīng)鋼結構強度試驗通過后才能批量投產(chǎn)。與鋁合金、不銹鋼車體相比，耐候鋼車體有材料費、制造費低以及工藝性好、造型容易的明顯優(yōu)勢，但也存在重量較大、耐腐蝕性不大好而導致運用成本高的劣勢。1.3.2 不銹鋼車體1.不銹鋼車體的機械性能強于鋁合金車體, 熔點高于鋁合金車體, 防火性能強于鋁合金車體, 因此不銹鋼車體具有更好的安全性; 鋁合金車體的屈服強度、抗拉強度、延伸率以及彈性模量約為不銹鋼車體的1 /3。2.不銹鋼車體比鋁合金車體的剛度要大, 因此在鋁合金車體設計時, 采用加大板厚和盡量加大

24、車體端面的辦法, 提高車體抗彎剛度。3.不銹鋼車體重量、價格略高于鋁合金車體, 但是對于沿海城市和重工業(yè)地區(qū), 其空氣有污染重、濕度大等問題, 使用不銹鋼車體可延長車體使用壽命。4.不銹鋼車體比耐候鋼車體大約可輕30%40%，但是不銹鋼車體的制造工藝性遠不如鋼車，不能采用弧焊；特別是不銹鋼成形困難。5. 不銹鋼由于是薄板且為拉絲板, 容易劃傷, 更忌諱異向劃痕, 出現(xiàn)劃痕又難以消除。至于觸摸的手印, 還是可以清洗掉的。1.3.3 鋁合金車體鋁合金車體從結構形式上可分為：板梁、大型開口型材和大型中空閉口型材及其組合形式。板梁式鋁合金車體在結構形式上類似于耐候鋼車體，但為了提高斷面系數(shù)，防止板材由

25、于剪力產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此加大板厚(一般取鋼板的1.4倍，最薄用到2mm)。鋁合金車體的薄板焊接非常困難，技術水平要求高，而且變形大矯正困難，因此必須采用接觸焊。開口型材將板、梁合成一體，簡化了車體制造工藝，提高了質(zhì)量，但成本也相應增加。鋁合金車體目前普遍采用的結構是大型桁架式中空型材組焊式(一般采用自動弧焊)。大型中空型材組焊式車體制造時，只需將型材沿車體長度方向?qū)舆B續(xù)自動弧焊。由于車體零件數(shù)量少、焊接工作量少，且容易實現(xiàn)自動化，大大降低了車體制造成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。但與此同時，由于大型型材需要能力為800010000t的大型擠出設備和大型模具，因此制品成本昂貴，設計斷面變化也受到制約。另

26、外，由于多余金屬只能靠機械加工的辦法去掉，工藝復雜，成本高，所以大型中空型材結構的車體要比板梁式、大型開口型材式車體略重一些。鋁合金車體的特點是利用鋁的相對體積質(zhì)量約為普通鋼的1/3這一點來減輕車體自重。鋁合金車體的自重一般可達到普通鋼車體的1/2。鋁合金車體的弱點是鋁的縱彈性模量小，約為普通鋼的1/3，因而往往使車體剛度下降。一般鋁合金車體比普通鋼車體、不銹鋼車體的剛度都要小。這是鋁合金車體設計時加大板厚和盡量加大車體斷面以提高車體抗彎剛度的重要原因。綜合經(jīng)濟性、輕量化等方面的原因，車體材料選用板梁式鋁合金，并利用現(xiàn)代工程建模分析（ug/nastran）進行建模分析，使車體符合各項指標的同時

27、達到車體最優(yōu)性能，并最終達到“安全、可靠、快速、輕量、經(jīng)濟、適用、可更換”的要求。1.4 設計參數(shù)的確定 工程車主要技術參數(shù)如下：1. 工作車車體尺寸（長寬高）：7500mm2900mm2250mm（主體尺寸）側門（寬高厚）：1800mm750mm36mm，前后門（寬高厚）：1700mm650mm36mm，蒙皮厚度3mm，2自重：7 t載重：3 t3走行速度平道最高運行速度：40kmh60坡道最高運行速度：25km/h4軸距走行輪軸距：6275mm穩(wěn)定輪、導向輪軸距：1340mm5動軸數(shù)：兩軸四輪驅(qū)動6輪胎走行輪：充氣輪胎，型號為345/85 r16xpma tl (michelin)（重慶軌

28、道交通二號線客運車輛輪胎）直徑：980mm載重：5.6t/個，導向輪及穩(wěn)定輪：實心輪胎，型號：5.00-8直徑：450mm載重量：1.5t個7車鉤車鉤：前后各一個棒式連接器2根8照明裝置前照燈:前后各4個，功率100w，駕駛室下部兩個，頂部一個尾燈（制動燈）：前后各2個，功率10w警示燈：前后各1個（黃色回轉(zhuǎn)燈），標志燈：2個（紅色可移動放置軌道梁上），室內(nèi)照明燈：6個臺，第2章 有限元應用的介紹2.1有限元法基本思想有限元法是目前cae工程分析系統(tǒng)中使用最多、分析計算能力最強、應用領域最廣的一種方法。有限元法是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計算方法，是解決工程實際問題的一種有力的數(shù)據(jù)計算工具。起初這

29、種方法被用來研究復雜的飛機結構中的應力問題，它是將彈性理論、計算數(shù)學和計算機軟件有機地結合在一起的一種數(shù)值分析技術；后來由于這一方法的靈活、快速和有效性使其迅速發(fā)展成為求解各領域的數(shù)理方程的一種通用近似計算方法。目前，它在許多學科領域和實際工程問題中都得到了廣泛的應用，因此在工科院校和工業(yè)界受到普遍的重視。在求解工程技術領域的實際問題時，建立基本方程和邊界條件還是比較容易的，但是由于其幾何形狀、材料特性和外部載荷的不規(guī)則性，求得解析解卻很困難。因此，尋求近似解法就成了求解實際問題近似解的必由之路。經(jīng)過多年的探索，盡管近似解法有許多種，但常用的數(shù)值分析方法就是差分法和有限元法。差分法計算模型可給

30、出其基本方程的逐點近似值(差分網(wǎng)格上的點)。但對于不規(guī)則的幾何形狀和不規(guī)則的特殊邊界條件差分法就難以應用了。有限元法把求解區(qū)域看作由于許多小的在節(jié)點處相互連接的子域(單元)所構成，其模型給出基本方程的分片(子)近似解。由于單元可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應復雜的幾何形狀、復雜的材料特性和復雜的邊界條件。再加上有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，使其已逐漸成為一種非常受歡迎的、應用極廣的數(shù)值計算方法。2.2有限元分析系統(tǒng)的組成有限元法的通用性使得它可以把固體力學、流體力學、動力學與控制等不同分支中課題的求解統(tǒng)一在一個框架，組織在一個分析系統(tǒng)中?；跀?shù)理模型，有限元分析系統(tǒng)一般由前

31、處理器、模型求解器、后處理器三個部分組成。其中前后處理器是算法與空間模型的接口，進行相應數(shù)據(jù)的前期準備與后期整理，完成算式表達和結果顯示。模型求解部分實現(xiàn)數(shù)理方程的解算。對線性化模型，目前算法己近于成熟；當前數(shù)理方法的主要研究方向是非線性問題和多體系統(tǒng)建模。2.3有限元法的求解過程有限元法是將連續(xù)的變形固體離散成有限個單元組成的結構，單元與單元之間僅在節(jié)點處以鉸鏈連接（節(jié)點不傳遞力矩）。利用變分原理或其它方法，建立聯(lián)系節(jié)點位移和節(jié)點載荷的代數(shù)方程組，求解這些方程組，得到未知節(jié)點位移，再求得各單元內(nèi)的其它物理量。一般來說，有限元解題過程可分為如下八個步驟：2.3.1定義域或求解域的離散化把定義域

32、或求解域離散為子域(有限元)是有限元法的第一步，是把結構或求解域分割成許多小部分或單元，這相當于用一個具有有限自由度數(shù)目的系統(tǒng)來代替具有無限自由度數(shù)目的系統(tǒng)。離散的實施基本上是靠工程判斷力。1.正確選擇單元的類型所有類型單元的幾何形狀基本上都可以歸屬于以下四大類：無矢量單元、一維單元、二維單元和三維單元。無矢量單元是一種無尺度的點單元，在建模中這些單元往往被用來表示彈簧、集中質(zhì)量和黏性阻尼等特性。一維單元則是用于描述兩維尺度遠小于第三維尺度的物體，即直線型或曲線型的物體，這類單元的主要物理特性是沿著物體的軸線方向定義的。二維單元則是用于描述一維尺度遠小于另二維尺度的物體，構成計算模型中的面。三

33、維單元則是用于表示三維實體。對涉及曲線幾何形狀的問題進行離散時，具有曲邊的單元是有用的。具有直邊的有限元稱為線性元，而具有曲邊的有限元稱為高次元。2.根據(jù)分析實體的幾何形狀和載荷特點，合理安排網(wǎng)格的疏密。3.利用物體的物理條件簡化計算模型。4.正確設定約束條件和載荷。在建立計算模型時，有時為了消除模型的剛體位移，必須要對模型設置一些附加的約束條件。約束條件的設置必須要能消除實體在各個自由度上的剛體位移。但也不能產(chǎn)生過度的約束，以免影響分析結果的正確性。2.3.2 選擇適當?shù)牟逯的Ｊ交蛭灰颇Ｊ接捎谠谌我饨o定的荷載作用下，復雜結構的位移解不可能預先準確地知道，因此，假設用單元內(nèi)一些適當解來近似未知

34、解。通常，把解或插值模式取為多項式形式。在選擇時需注意：(1)多項式項數(shù)應該等于單元的自由度數(shù)； (2)多項式階次應包含常數(shù)項和線性項；(3)單元自由度應等于單元節(jié)點獨立位移的個數(shù)。連續(xù)體離散化后，要對典型單元進行特性分析。為了能用節(jié)點位移（速度）來表示單元體的位移、應變和應力，必須對單元中的位移分布做出假定。即假定一種位移模式（形函數(shù)）來近似地模擬其真實位移。其矩陣形式為：u = nde 式(2.1)式中： u單元中任一點位移列陣； n形函數(shù)矩陣； de單元節(jié)點位移列陣。位移模式選定以后，就可以進行單元力學特征分析。根據(jù)幾何方程確定應變與單元節(jié)點位移的關系： = b de 式(2.2)式中：

35、應變列陣； b幾何矩陣。利用物理方程給出單元體內(nèi)任一點的應力狀態(tài)： = db de 式(2.3)式中：單元體內(nèi)任一點應力列陣； d與單元材料相關的本構矩陣。2.3.3推導單元的剛度矩陣和荷載向量根據(jù)假設的位移模式，利用平衡條件或適當?shù)淖兎衷砭涂梢酝茖С鰡卧猠的剛度矩陣kej和荷載向量p勁。推導單元特征矩陣和特征向量的方法有變分法、直接法和加權余量法,也可利用虛功原理建立作用于單元上的節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關系式。即確定單元剛度方程：fe = kde 式(2.4)式中：k單元剛度列陣，且： k = btdbd 式(2.5)2.3.4計算等效節(jié)點力2.3.5組裝單元剛度矩陣形成整體剛度矩陣根據(jù)連

36、續(xù)體平衡條件建立聯(lián)系整體節(jié)點位移和節(jié)點載荷的一個大型線性（或非線性）方程組，求解這個方程組得到節(jié)點位移值： kd = f 式(2.6)式中：k總體剛度矩陣；d整個連續(xù)體節(jié)點位移列陣；f節(jié)點載荷列陣。2.3.6求解未知節(jié)點位移、計算節(jié)點力 按問題的邊界條件修改總的平衡方程。2.3.7單元應力和應變的計算在得到了節(jié)點的位移矢量后，根據(jù)固體力學或結構力學的有關方程即可算出單元的應力和應變。2.3.8整理分析結果并輸出2.4 有限元分析法的應用優(yōu)點有限元分析法的優(yōu)點是解題能力強，可以比較精確地模擬各種復雜的曲線或曲面邊界，網(wǎng)格的劃分比較隨意，可以統(tǒng)一處理多種邊界條件，離散方程的形式規(guī)范，便于編制通用的

37、計算機程序，在固體力學方程的數(shù)值計算方面取得巨大的成功。但是在應用于流體流動和傳熱方程求解的過程中卻遇到一些困難，其原因在于，按加權余量法推導出的有限元離散方程也只是對原微分方程的數(shù)學近似。當處理流動和傳熱問題的守恒性、強對流、不可壓縮條件等方面的要求時，有限元離散方程中的各項還無法給出合理的物理解釋。對計算中出現(xiàn)的一些誤差也難以進行改進。有限元分析法在工程中最主要的應用形式是結構的優(yōu)化，如結構形狀的最優(yōu)化，結構強度的分析，震動的分析等等。有限元分析法在超過五十年的發(fā)展歷史中，解決了大量的工程實際問題，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。有限元分析法的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗的結構設計趨于理性，設計出的產(chǎn)品

38、越來越精細，尤為突出的一點是，產(chǎn)品設計過程的樣機試制次數(shù)大為減少，產(chǎn)品的可靠性大為提高。壓力容器的結構應力分析和形狀優(yōu)化，機床切屑過程中的振動分析及減振，汽車試制過程中的碰撞模擬，發(fā)動機的設計過程中的減振降噪分析，武器設計過程中爆轟過程的模擬、彈頭形狀的優(yōu)化等等，都是目前有限元法在工程中典型的應用。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展和在工程實際中的應用，有限元分析法被證明是一種行之有效的工程問題的模擬方法，解決了大量的工程實際問題，為工業(yè)技術的起步起到了巨大的推動作用。但是有限元分析法本身并不是一種萬能分析、計算方法，并不適用于所有的工程問題。對于工程中遇到的實際問題，有限元法的使用取決于如下條件：產(chǎn)品實驗

39、或制作樣機成本太高，實驗無法實現(xiàn)，而有限元計算能夠有效地模擬出實驗效果、達到實驗目的，計算成本也遠低于實驗成本時，有限元分析法才成為一種有效的選擇。待添加的隱藏文字內(nèi)容3第3章 設計說明及車體剛度強度分析車體是車輛結構的主體。車體的強度、剛度 ,關系到運行安全可靠性和舒適性 ;車體的防腐耐腐能力、表面保護和裝飾方法 ,關系到車輛外觀、壽命和檢修制度 ;車體的重量 ,則關系到能耗、加減速度、載客能力乃至列車編組形式 (動拖比 )。以上所述都直接影響運營質(zhì)量和經(jīng)濟效益，所以，車體的強度、剛度分析可以在保證車輛安全可靠和舒適的前提下最大限度的輕量化車體。3.1作用在車輛上的載荷3.1.1垂向靜載荷作

40、用在車體上的垂直靜載荷pst包括車體自重、車輛載重以及裝備重量。1.車體自重在進行車輛強度計算時，車體自重包括車體鋼結構、鋁合金結構的重量，以及安裝于車體上的車輛其它零、部件和設備的重量。2. 車輛載重包括車內(nèi)檢修工具和工作人員等。3. 裝備質(zhì)量3.1.2垂向動載荷垂直動載荷pd是由于軌面不平、軌道接縫等線路原因以及由于車輛本身狀態(tài)不良引起車輪軌道間沖擊和車輛簧上振動而產(chǎn)生的。通常垂直動載荷由垂直靜載荷乘以垂直動載荷系數(shù)而得，即pdkdypst。3.1.3側向力作用在車體上的側向力包括風力和曲線運行時的離心力。風力按風壓力乘以車體側向投影面積計算。風壓力取為0.54knm2，風力的合力作用于車

41、體側向投影面積的形心。3.1.4 其它力1.縱向沖擊力 。2.制動力。3.通過曲線時鋼軌的橫向力。4.修理時加與車輛上的力。5.扭轉(zhuǎn)載荷及垂直斜對稱載荷。3.2主載荷的選擇與確定因為工程車運行時，垂向動載荷為主載荷，pdkdypst，pst為垂向靜載荷，kdy為垂向動載荷系數(shù)，因為單軌車輛所行使的混凝土軌面比較平順，參考汽車設計的垂向動載荷系數(shù)并考慮到單軌工程車運行的軌道比較平順，kdy取2。3.3 車體與底架的連接方式車體內(nèi)外蒙皮焊接在骨架上，在每根骨架的下端都有一個支座，支座上有直徑為12mm的通孔，在地板的外側縱梁和橫梁上也有通孔，底架上外側橫梁和縱梁有一面打孔，在底架和地板之間需要連接

42、的地方有一圈橡膠墊，通過螺栓和雙螺母把底架和車體連接起來。3.4 底架與轉(zhuǎn)向架的連接方式在底架與轉(zhuǎn)向架連接的位置分別有兩個直徑為36的孔，轉(zhuǎn)向架彈簧導向桿穿過底架上的孔，用雙螺母固定?？v向力和橫向力通過拉桿傳遞。3.5 創(chuàng)建有限元模型的方法與網(wǎng)格劃分技術3.5.1 創(chuàng)建有限元模型兩種方法1. 直接法：首先創(chuàng)建節(jié)點，然后利用節(jié)點創(chuàng)建單元，單個和多個單元組成一個有限元模型（不需要任何cad模型）。2：幾何模型網(wǎng)格劃分法：首先創(chuàng)建或者導入cad幾何模型，然后利用網(wǎng)格劃分工具將其劃分成單元網(wǎng)格模型。因為幾何模型在ug中建立的三維模型，所以，網(wǎng)格劃分采用幾何模型網(wǎng)格化分法。3.5.2 將cad模型劃分單

43、元網(wǎng)格模型的基本過程（1）定義單元類型。（2）定義單元實常數(shù)或者單元截面。（3）定義材料模型。（4）創(chuàng)建分析對象的幾何模型。（5）給每個幾何對象分配單元屬性。在劃分網(wǎng)格前，必須先給每個幾何模型的點、線、體分配適當?shù)膯卧獙傩?，包括單元類型號、單元實常?shù)號、材料號、單元坐標系、方向關鍵點等。（6）控制網(wǎng)格劃分密度?？傮w網(wǎng)格尺寸。點附近區(qū)域密度控制。線上密度控制。面上密度控制。層密度控制。（7）選擇單元形狀和網(wǎng)格劃分器類型。（8）執(zhí)行網(wǎng)格劃分操作。（9）執(zhí)行網(wǎng)格檢查。（10）合并模型與編號控制。（11）修改網(wǎng)格模型。局部網(wǎng)格加密。移動、刪除等操作。修改單元法向或者方向。修改單元材料、實常數(shù)、材料等基

44、本屬性。3.5.3 網(wǎng)格單元類型1. 從構成的學科領域分類（1）結構單元。（2）流體單元（包括聲流體單元）。（3）熱單元。（4）電路、電場和磁場單元。（5）耦合場單元。2. 單元維數(shù)與拓撲形式（1）二維或三維。（2）點單元（如質(zhì)量單元）。（3）線單元（如彈簧、桿、梁等單元）。（4）面單元（如殼單元）。（5）體單元。（6）大多數(shù)三維塊體單元能退化成四面體，大多數(shù)二維四邊形單元能退化成三角形。3. 階數(shù)與節(jié)點數(shù)目（1）線性（不帶邊中節(jié)點）和二次（帶邊中節(jié)點）單元。（2）線性單元可通過附加形函數(shù)改善其精度。（3）二次單元對給定單元網(wǎng)格提供了更高的精度，但如果需要可以刪掉單元邊界上的中間節(jié)點。3.6

45、底架強度剛度分析3.6.1 網(wǎng)格劃分因為幾何模型在ug中建立的三維模型，所以，網(wǎng)格劃分采用幾何模型網(wǎng)格化分法，網(wǎng)格單元選擇四面體單元。如圖 3-1圖3-13.6.2 定義載荷的基本操作方法1.在實體幾何模型上施加載荷2.在有限元模型上施加載荷3.6.3 結構載荷的種類1.位移載荷2.集中力載荷3.壓力載荷（1）均勻分布（2）壓力在一定方向上按梯度分布。1.）在選擇的線上施加壓力載荷。2.）在選擇的面上施加壓力載荷。3.）在選擇的節(jié)點上施加節(jié)點壓力載荷。4.）在選擇的單元組包含的所有節(jié)點上施加壓力載荷。5.）在選擇的單元側面上施加壓力載荷。6.）在選擇的單元組包含的所有單元上施加壓力載荷。3.6

46、.4 施加載荷與邊界條件底架所受垂向載荷主要來自車體、地板、車內(nèi)各種電氣設備以及車內(nèi)工作人員，所有垂向力均布作用在底架外圍橫梁和縱梁上表面，底架約束為轉(zhuǎn)向架彈簧上支座與底架梁接觸的地方，設定為固定約束。3.6.5 執(zhí)行求解3.6.6 強度分析結果如圖 3-2圖 3-216mnl的屈服極限為345mpa，許用應力=s/n,n為安全系數(shù)，此處安全系數(shù)取n=2.0，故許用應力=345/2=172.5mpa,圖中最大應力出為42.44mpa，遠小于許用應力，所以底架的強度復合要求。3.5.3 剛度分析結果如圖 3-3圖 3-3設計要求允許底架的最大變形量為2mm，圖中最大變形量為0.13mm，所以，底

47、架的剛度復合要求。3.7 地板骨架強度剛度分析3.7.1網(wǎng)格劃分因為幾何模型在ug中建立的三維模型，所以，網(wǎng)格劃分采用幾何模型網(wǎng)格化分法，網(wǎng)格單元選擇四面體單元。如圖 3-4圖 3-43.7.2 施加載荷與邊界條件地板骨架所受垂向載荷主要來自載重和車內(nèi)各種電氣設備以及車內(nèi)工作人員，所有垂向力均布作用在地板骨架橫梁和外圍縱梁上表面，地板骨架約束為地板骨架外圍橫梁和縱梁，設定為固定約束。3.7.3執(zhí)行求解3.7.4 地板骨架強度分析結果如圖 3-5圖 3-516mnl的屈服極限為345mpa，許用應力=s/n,n為安全系數(shù)，此處安全系數(shù)取n=2.0，故許用應力=345/2=172.5mpa,圖中最

48、大應力出為8.7mpa，遠小于許用應力，所以地板骨架的強度復合要求。3.7.3 地板骨架剛度分析結果如圖 3-6圖 3-6設計要求允許地板骨架的最大變形量為2mm，圖中最大變形量為0.287mm，所以，地板骨架的剛度復合要求。第4章 結 論利用有限元分析法對底架和地板的應力分析,可以清楚的看到,底架和地板的最大應力點在于a1，a2。點,并且底架存在應力集中,發(fā)現(xiàn)這個問題后,就獲得了改進底架的設計根據(jù),即要滿足兩個條件:一時盡量增加底架所能承受的最大應力,二是使整個底架的應力分布均勻,考慮到輕量化的問題,增加底架各個梁的厚度不利于減輕整車重量,因此,在存在應力集中的地方加了三角塊,同時兩邊縱梁里面扣了一根加強梁，使整個底架的應力分布均勻。因為工程車車速慢，軌面比較平緩，一般不會出現(xiàn)劇烈的震動，不像汽車行駛的路面那樣復雜多變，垂向動載荷系數(shù)相對較大，但是考慮到工程車的絕對安全，本次設計的垂向動載荷系數(shù)選得也比較大，從剛度強度分析結果得出工程車完全滿足強度剛度要求。本次設計運用了nastran對單軌工程車底架和地板骨架進行了有限元分析，優(yōu)化了車身和骨架結構，減輕了車輛自重，降低了制造成本，提高了車輛性能，基本達到了輕量化的要求，下一步還可以對底架縱梁斷面的結構進行優(yōu)化，降低底架的重量。論文小結經(jīng)過兩個多月的努力，單軌工