CRH3型動車組中間車車體結構強度分析

1、CRH 3型動車組中間車車體結構強度分析郭春麗1, 齊淑萍2(1. 河北理工大學機械學院, 河北唐山 063009 (2. 唐山機車車輛廠高級技校, 河北唐山 063030摘要:在充分了解分析CRH 3鋁合金中間車車體結構和材料力學性能的基礎上, 采用有限元分析軟件ANSYS 建立車體有限元模型, 參照相應規(guī)范, 對車體在垂直載荷、縱向壓縮、拉伸、氣動及合成載荷工況作用下的強度和剛度進行校核, 并為鋁合金車體結構的改進和優(yōu)化設計提供依據(jù)。得出結論:車體強度、剛度滿足要求。此外還對鋁合金設計中應注意的問題提出了有價值的建議。關鍵詞:鋁合金車體結構; 有限元分析; 載荷中圖分類號:TH12 文獻標

2、識碼:A 文章編號:1672-1616(2010 13-0047-04 有限元法是將連續(xù)的物體離散化, 分解為由有限個單元組成的模型, 即進行網格劃分, 進行離散化模型求數(shù)值解1。筆者采用有限元分析軟件ANSYS 建立了車體有限元模型。ANSYS 軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件, 可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程等一般工業(yè)及科學研究, 它具有多物理場解析、非線性計算、耦合場的分析、設計優(yōu)化以及開放性等特點2。1 CRH3動車組車體結構的主要技術特點CRH3車體采用大型擠壓中空鋁型材焊接而成, 司機室

3、采用彎曲鋁型材梁和板狀鋁型材作蒙皮的焊接結構。底架、側墻和車頂采用大型空心截面的擠壓鋁型材, 中空擠壓型材的長度可達車體全長。車體承載結構是由底架、側墻、車頂、端墻以及設備艙組成的一個整體。中間車的三維圖和鋁合金車體結構圖分別如圖1和圖2所示。CRH 3動車組主要技術參數(shù)見表1。車體主要組成部分的特點如下。底架:主要由2大部分組成 底架前端和地板。它們通過連接梁、連接板相連, 連接梁為型材, 連接板可以調整寬度, 保證車體長度。圖1 中間車的三維圖圖2 鋁合金車體結構圖表1 CRH3動車組主要技術參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值車輛長度中間車24825mm, 端車25860mm車體寬度3265mm 軸重 1

4、7t 車體自重約11t 最高運行速度350km/h側墻:在型材內側有T 型槽或L 型導軌, 用來安裝內裝件或設備。車頂:動車組各車體車頂?shù)墓餐Y構都是由5收稿日期:2010-03-03( , , , 47! 現(xiàn)代設計與先進制造技術! 郭春麗 齊淑萍 CRH3型動車組中間車車體結構強度分析塊大型中空鋁型材拼焊而成, 由于平頂型材整體的截面厚度比較小, 所以型材上下面及中間筋的材料厚度均比其他部位型材厚很多。端墻:主要由門框、角柱、端墻板和端墻附件4部分組成。2 鋁合金車體的有限元計算模型2. 1 鋁合金車體的幾何模型鋁合金車體基本采用中空擠壓型材(枕梁、牽引梁除外 , 在建立車體有限元的幾何模型

5、時, 應盡量反映車體的結構特點, 故把車體的幾何實體全部簡化為面, 以利于有限單元的劃分。在建立結構模型時, 遵循了以下原則:a. 因非承載對結構的整體變形影響很小, 故進行了省略。b. 對結構表面的孔、臺肩等進行了圓整處理。利用Pro/E 三維軟件建立的鋁合金車體的幾何模型圖如圖3和圖4 所示。圖3 鋁合 金車體的幾何模型圖4 用于創(chuàng)建有限元單元的車體一個橫斷面2. 2 鋁合金車體的有限元模型為盡可能反映出車體實際情況, 計算模型遵循求真#原則3, 在建模前作預處理?？紤]到鋁型材拼裝搭焊處剛度較大的實際情況, 利用剛度等效原理, 反求出搭接處等效厚度。為使等效結果與實際情況吻合, 在用塊體元

6、模擬的等效模型中, 利用 計算模型采用2種方案, 扭轉工況和三點支撐空車工況用整體結構模型, 其他工況用1/2結構模型。用于劃分網格的幾何形狀幾乎全從設計中各處厚度的中面提取, 其中包括車頂、側墻、下邊梁、底架、端墻等均用相對等厚度的薄殼元模擬; 少量門柱、角柱等, 則用梁元模擬。計算模型數(shù)據(jù)見表2。圖5為1/2結構的有限元網格, 圖6為部分底架的有限元網格。表2 鋁合金車體計算模型數(shù)據(jù)單元總數(shù)結點總數(shù)整體結構計算模型2395041823201/2結構計算模型11975293080圖5 1/2結構有限元網格圖圖6 底架有限元網格2. 3 計算負荷、計算結果及其分析參照相應規(guī)范計算的基本載荷如下

7、:垂向載荷、壓縮載荷、拉伸載荷、300kN 縱向壓縮載荷、扭轉載荷、只是一端連同轉向架頂起時的載荷F cz 、三點支承空車載荷F zc 和合成載荷。a. 垂向彎曲剛度。垂直靜載荷作用下, 側墻下側梁中部最大撓度為f c =8. 4m m 。將f c 代入垂向彎曲剛度計算公式:E J =WL 22384f c (5L 22-24L 21 =2 4071015N ! 2 152482010年7月 中國制造業(yè)信息化 第39卷 第13期垂向彎曲剛度滿足要求。b. 扭轉剛度。在扭轉載荷M k =40kN ! m 作用下得到4個支承點垂向距離變化值后, 可得到相對扭轉角: =( 1- 2 -( 3- 4b

8、 2=0 001239rad (2以及相當扭轉剛度:GJ p =L M k=5 8111014N ! mm 2>5 51014N ! mm 2/rad (3相當扭轉剛度滿足要求。c. 強度。表3給出了每一計算載荷作用下, 主要部位的高應力值。表3 各工況主要部位高應力值單位:M Pa15535373d. 枕梁和牽引梁應力分析。因枕梁和牽引梁是焊接件, 有長焊縫, 且整體應力水平較高, 所以為了便于對枕梁和牽引梁進行詳細考察, 這里給出在有縱向力的合成1工況和合成2工況枕梁及牽引梁腹板局部應力。(1 枕梁。在合成載荷1(垂直總載荷F cz 與靜態(tài)縱向壓縮載荷F ys 合成 的狀態(tài)下, 枕梁

9、最大應力發(fā)生在腹板上的孔邊(129M Pa , 腹板的上下邊 (焊縫 應力可達100M Pa 左右, 應力分布如圖7所示。圖7 合成 工況枕梁腹板應力在合成載荷2(垂直總載荷F cz 與靜態(tài)縱向拉伸載荷F ys 合成 的狀態(tài)下, 枕梁最大應力發(fā)生在腹板上的孔邊(177M Pa , 腹板的上下邊(焊縫 應力可達100MPa 左右, 應力分布如圖8所示。圖8 合成載荷二枕梁腹板應力(2 牽引梁。在合成載荷1(垂直總載荷F cz 與靜態(tài)縱向壓縮載荷F ys 合成 的狀態(tài)下, 牽引梁最大應力發(fā)生在腹板拐角處的圓孔邊緣(237M Pa , 這是全車結構應力最大之處, 并且很接近腹板的焊縫, 應充分注意,

10、 應力分布如圖9所示。圖9 合成載荷二牽引梁腹板應力在合成載荷2(垂直總載荷F cz 與靜態(tài)縱向拉伸載荷F ys 合成 的狀態(tài)下, 牽引梁最大應力發(fā)生在腹板拐角處的圓孔邊緣(261M Pa , 這也是全車結構應力最大之處, 由于很接近腹板的焊縫, 應充分注意, 應力分布如圖10所示。3 結論與建議3. 1 剛度由前面的分析可知垂向彎曲剛度、扭轉剛度、強度均能滿足規(guī)范要求。因牽引梁和枕梁焊縫處應力水平較高, 設計中應適當考慮。3. 2 鋁合金車體設計應注意的問題a. 側墻和門柱的接口問題。49! 現(xiàn)代設計與先進制造技術! 郭春麗 齊淑萍 CRH3型動車組中間車車體結構強度分析 圖10 合成載荷二

11、牽引梁腹板應力在車體結構中, 門角的應力都比較大, 為保證側墻門柱的強度, 在門柱兩側加筋板補強。具體方案如圖11 所示。1 門柱; 2 側墻圖11 側墻和門柱的連接b. 端墻和側墻的接口問題端墻和緩沖梁的連接。端墻和側墻的連接存在與側墻和門立柱連接的問題, 而且門角柱折彎后存在不平度、垂直度等問題, 造成端墻和側墻的垂直度、不平度不夠的問題, 因此建議端墻采用厚鋁板的方案。厚鋁板和車頂連接采用角接連接, 和端角柱采用補強的連接, 具體方案如圖12 所示。1 門柱; 2 側墻; 3 端角柱圖12 端墻和側墻的連接參考文獻:1 洪慶章. ANS YS 學習范例M . 北京:中國鐵道出版社,200

12、2.2 丁 科, 陳月順. 有限元法M . 北京:人民大學出版社,2006.3 黃 義. 彈性力學基礎及有限元法M . 北京:冶金工業(yè)出版社, 1986.The Structure Strength Analysis on the Internal -C ar Body of CRH 3GUO Chun-li 1, QI Shu-ping2(1. H ebei Polytechnic U niversity, H ebei Tangshan, 063009, China(2. T ang shan Locomotive &Rolling Stock Works, Hebei T ang

13、shan, 063030, ChinaAbstract:It uses the finite element analysis software ANSYS l to establish model of the body under internal-car body structure of aluminum, checkes strength and stiffne ss of the body in the vertical load, vertical c ompression, tensile, pneumatic and synthetic. This provides a ba

14、sis for optimal design to improve and optimization. Key words:Aluminum Body Structure; Finite Element Analysis; Load(上接第46頁3 張繼春. Pro/ENGINEER 二次開發(fā)實用教程M . 北京:北京大學出版社, 2003.4 李世國. Pro/TOOLKIT 程序設計M . 北京:機械工業(yè)出版社, 2003.5 吳立軍, 陳 波. Pro/ENGINEER 二次開發(fā)技術基礎M .北京:電子工業(yè)出版社, 2006.The Parametric Design of Infrar

15、ed Optical Thermal Equipment Based on Pro/EGUAN Qiang 1, ZHANG Yu 1, LI M ao-zhong 2, WANG Guo-dong 1(1. Kunming U niversity of Science and Technology , Yunnan Kunming, 650093, China(2. Kunming Institute of Physics, Yunnan Kunming, 650223, ChinaAbstract:Based on the designing method of infrared thermal equipment, it applies VC+6. 0development enviroment and Pro/T OOLKIT to develop the parametric desig n module of IR thermal equipment, builds pro fessional module for thermal equipm