基于ANSYS的B型不銹鋼點焊車強度分析

王琰 馮亮 王志俊 羅超 羅鵬

(唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心,河北唐山 063035)

基于ANSYS的B型不銹鋼點焊車強度分析

王琰 馮亮 王志俊 羅超 羅鵬

(唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心,河北唐山 063035)

本文介紹了薄壁筒型整體承載的B型地鐵不銹鋼點焊車頭車車體結構設計及車輛的主要參數。在三維模型軟件Pro/E中建立了頭車的模型,依據歐洲標準確定了載荷參數及工況,運用有限元分析軟件AYSYS求解器進行求解,得到車體結構在各個工況下所產生的應力和應變。結果表明該不銹鋼車體的強度滿足要求,同時為車體的優化設計、結構改進提供了參考依據。

不銹鋼 ANSYS 工況 優化

1 引言

不銹鋼具有耐腐蝕、外形美觀、使用壽命長、重量輕、強度高、維護費用低等優點,得到了國內外地鐵生產廠家的青睞。不銹鋼的高強度使得不銹鋼車體輕量化得以實現,大大降低了車輛和線路的維護費用,節約能源[1-2]。但是,不銹鋼具有較高的熱膨脹系數和較低的熱傳導率,在焊接的過程中熱量不能很快的分散開,從而使得不銹鋼的焊接性能比較差,而且容易產生焊接變形[3-4]。因此,為保證焊接后的車體強度及乘客的人身安全,本文進行了車體的強度和剛度的有限元分析。

表1 車體主要技術參數

圖1 整車車體結構的有限元模型

圖2 仿真分析流程

圖3 垂向載荷工況下的應變云圖

2 不銹鋼車體結構特點

2.1 車體結構簡介

B型地鐵不銹鋼點焊車頭車車體方案采用薄壁筒型整體承載的不銹鋼點焊結構形式。車體組成采用模塊化設計,主要由底架、側墻、車頂、端墻及司機室等模塊組成,各大部位之間通過焊接的方式連接起來。

車體底架為無中梁結構,主要由一、二位端底架、底架邊梁、主橫梁及波紋地板組成。其中端底架由端梁、牽引梁、枕梁、邊梁及不銹鋼橫梁組成。側墻結構采用帽型梁與外板形成箱型的結構,梁柱之間采用高強度的連接板點焊連接。側墻由外墻板、門扣鐵、門上結構組成、梁柱等組成。側墻結構采用模塊化設計,由門口隔開為5個分塊側墻。左右兩側共設計有5個門和3個側窗。車體車頂由兩根冷彎型鋼邊梁、數根拉彎成形的車頂彎梁點焊在一起,形成桁架結構,然后在桁架上鋪設側頂板和波紋頂板。車頂上設置兩個空調機組安裝平臺。端墻主要由端墻骨架、端墻外板以及小件等組成。其中端墻骨架采用梁、柱焊接形成。

司機室結構形式為不帶逃生門的不銹鋼骨架梁結構,梁與梁之間通過焊接方式連接起來,通過圈梁、立柱分別與側墻、車頂、底架連接起來,形成共同受力的整體。

2.2 車體的主要技術參數

圖4 司機室壓縮應變云圖

B型不銹鋼點焊車的車體技術參數詳見表1。

3 不銹鋼車體有限元模型

根據頭車車體三維實體模型確定所有結構和型材的實際斷面;然后,建立車體相應結構和型材的中面線框,建立與之對應的有限元分析所需的車體三維中面模型。凡是對該車整體剛度及局部強度有貢獻的結構,都予以考慮。為了計算的準確性,模型構成以任意四節點薄殼單元為主,三節點薄殼單元為輔。整車結構的有限元模型中單元總數為1116788,結點總數為1156716,圖1給出了整車車體結構的有限元模型。

3.1 仿真流程

首先,在Pro/E中建立頭車的三維模型,為了減少工作量提高仿真效率對車上、車下及車外設備的幾何模型進行簡化處理。其次,保證在Hypermesh中劃分的網格滿足下面條件,三角形網格一般不應超過總網格數的10%,網格的雅克比(0．5～1)、長寬比(1～10)、偏斜度(小于60°)、翹曲度(小于5°),翹曲單元(不得超過總數的15%)、四邊形單元最小角度(大于25°)和最大角度(小于150°)、三角形單元最小角度(大于12°)和最大角度(小于140°)等。再次,參照BS EN12663-1：2010《鐵道應用——軌道車身的結構要求》確定了本文的仿真參數和仿真工況。最后,利用ANSYS軟件自帶的求解器進行求解,具體仿真過程參照圖2。

3.2 仿真工況

參照BS EN12663-1：2010《鐵道應用——軌道車身的結構要求》共設定了16中仿真工況,垂向靜載荷工況2個,縱向靜載荷工況4個,救援工況2個,吊車工況2個,扭轉工況1個,沖擊工況1個,壓縮工況4個。

4 計算結果分析

4.1 應變分析

垂向載荷工況作用下：AW3時,車體的垂向位移云圖如圖3(a)所示,車體中部邊梁下翼緣的垂向位移為9．7mm;1．3×AW3時,車體的垂向位移云圖如圖3(b)所示,車體中部邊梁下翼緣的垂向位移為12．6mm。因此,B型地鐵不銹鋼點焊車頭車車體在超載(AW3)條件下,車體中心線上邊梁的垂向位移為9．703mm,小于設計許用值12．6mm。

4.2 應力分析

各工況作用下,車體的最大應力情況如下：

垂向載荷工況作用下：最大應力分別為258MPa、336MPa,均發生在側墻連接板處;壓縮載荷工況作用下：最大應力分別為577MPa、575MPa、456MPa、458 MPa,均發生在車鉤座與牽引梁的連接處;救援載荷工況作用下：最大應力分別為392MPa、375MPa,均發生在車平頂與圓頂連接角處,吊車載荷工況作用下：最大應力分別為266MPa、296MPa,均發生在車平頂與圓頂連接角處;扭轉載荷工況作用下：最大應力為101MPa,發生在枕梁端部扭轉載荷施加處;沖擊載荷工況作用下：最大應力為231MPa,發生在側墻連接板處。司機室壓縮載荷工況作用下：頭部壓縮時,最大應力出現在載荷施加處,分別為612MPa和1430MPa,;尾部壓縮時：最大應力為366MPa和1410 MPa,發生在車車平頂與圓頂連接角處和尾部載荷施加處,詳見圖4中司機室頭部和尾部的壓縮情況。

上述的16中載荷工況作用下,僅有司機室壓縮載荷工況作用時出現了應力集中點,針對應力集中部位采取相應的補強措施,進行應力改善,補強后的模型計算同現有計算方法一樣,結果表明應力得到了明顯的改善。其它工況作用下應力比較小,且強度合格不再贅述。

5 結語

上述計算表面,使用殼單元模擬車體梁、板結構,能夠有效的反映出不銹鋼車體的結構特點,是車體靜強度分析的有效手段。

(1)本文提出的16種載荷工況有效的模擬了B型不銹鋼地鐵在運行過程的超載、碰撞、救援、吊車等工況經有限元靜強度計算,車體在給定的各種工況下的應力水平都小于相應結構對應的應力且垂向剛度變形在標準允許范圍內。(2)本文的結構強度計算為后續的結構優化設計提供了依據。

[1]姚曙光,許平.輕型不銹鋼車體結構研究[J].城市軌道交通研究,2004,(5):82～84．

[2]朱劍月,沈培德.地鐵B2型鋁合金車體結構設計與靜強度分析[J].鐵道機車車輛,2005(2):14～16．

[3]陶然,賈宇.地鐵不銹鋼車體的結構設計與有限元分析[J].中國科技成果,2006(6):52～54．

[4]李培,孫麗萍.地鐵不銹鋼車體強度分析及試驗驗證[J].內燃機車,2011(4):17～19．

王琰(1979-),女,河北唐山,工程師,從事地鐵城軌車體和車端連接設計,曾擔任多種車型車體的設計,并且擔任部位工程師。