車體強度仿真分析方法研究

孫權

摘 要：本文以某鋁合金車體結構為基礎，建立其有限元模型，對車體靜強度試驗進行仿真分析，通過對比不同單元類型和邊界條件下的計算結果，最后選取合適的模擬方式，確保仿真結果的準確度。

關鍵詞： 城軌；動車組；車體；強度

1 車體強度計算

車體靜強度計算中失衡抬車工況較為惡劣，計算結果和實際偏差較大，仿真結果可信度低，故選取上述工況對其仿真方法進行詳細對比研究。如圖1.1所示，采用多層板材疊加的方式，來提高架車區域的承載能力。

由于在受壓情況下，兩板邊因焊接可視為一體，而板內僅有面法向位移保持一致，其余兩向因板變形而具有各自的位移，因此在有限元建模處理時，該區域常采用CP耦合方程的方式來模擬上下板材的線性接觸關系，即兩板邊緣角焊縫約束三向平動自由度CP單元，中間區域約束垂向自由度CP單元，該工況模擬當轉向架抬車時，由于一處架車區故障抬高10mm導致失衡，對應有限元模型在四處架車區給予固定約束， 其中一處垂向位移10mm；轉向架質量通過施加集中力于其質心處，并通過rbe2單元連接對應車下吊掛點位，經ANSYS計算得到應力分布云圖，如圖1.2所示，最大應力549MPa，遠超鋁合金屈服強度，從直觀上看是由于鋁合金材料強度低或板材太薄導致，但從有限元基本理論分析可知，

雖然兩板件通過CP單元模擬線性接觸，但殼單元只有中性層一層節點，且單元只是在節點之間傳遞信息，應力等結果均通過節點位移外推而來，因此即使在下板面施加位移約束，與之相連的殼單元也因與約束邊界相連而不產生應力，其節點位移信息直接傳遞到上層節點，故在應力圖中該區域為藍色無應力，下板完全失效。

2 模擬方法研究與改進

通過上節分析可知，由于殼單元只有一層節點，在約束條件附近如果采用傳統的耦合方式模擬會造成板材失效，模擬結果較差，為了驗證此結論，選取一簡單的兩板邊焊算例，如圖2.1所示，兩板邊緣角焊連接，板下及兩側固定約束，整體垂向承載。

其中（a）圖采用傳統的耦合方式連接，（b）中結構刪除小板，通過ANSYS計算兩種情況下應力分布一致，可知耦合連接的小板完全失效，在結構中等效于不存在，因此以往處理此類結構區域時，對應網格節點不僅沒有起到任何有效作用，還浪費了大量的時間，工作效率低，模擬結果不準確，因此可以考慮，在約束附近的板焊接直接采用局部加厚的建模方法，即在多層疊板的位置，給殼單元更大的厚度。

3 DMU車體局部改進

根據第二節分析可知，失衡抬車工況應力過大的原因，主要由于局部板厚加強不足和模擬方式有誤所致，為此將局部結構進行改進如圖3.1a所示，在架車位附近和外側梁均加焊補板，焊接模擬用局部單元加厚的方式，對應計算結果如圖3.1b所示，應力從549MPa降低為271MP，若仍用傳統的接觸耦合模擬方式，即使結構改進計算結果也不會有顯著變化，從而對設計人員產生錯誤的引導方向。

4 結論與建議

本文以車體為研究對象，分別采用兩種不同的模擬方式，計算失衡抬車工況應力，經對比分析得出結論如下：

（1）在約束區附近，采用傳統的接觸耦合模擬方式，計算結果與實際偏差較大，而前處理階段需要為此對應網格節點，不僅操作難度大、效率低，而且不具有實際效應。

（2）對于板殼結構而言，以面法向載荷或壓縮為主的工況，可以直接采用加厚的方式模擬；如果約束區存在板焊接，則必須采用該方式建模，并且需要擴大加厚區。

（3）車下架車位通常應采用局部加補焊板的方式，來提高其強度。

（4）對于車體強度計算，如空氣彈簧座、架車位和牽引梁等的多層板邊焊結構，均可采用局部加厚的方式模擬，不僅效率高，操作簡便，而且具有很好的準確性，節省了大量的時間和成本。

參考文獻

[1] 李心宏. 理論力學. 大連理工大學出版社. 2004.

[2] 王勖成. 有限單元法. 清華大學出版社. 2003.

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