车体强度仿真分析方法研究

2018-06-11 01:49孙权
科学与财富 2018年12期
关键词:城轨车体动车组

孙权

摘 要:本文以某铝合金车体结构为基础,建立其有限元模型,对车体静强度试验进行仿真分析,通过对比不同单元类型和边界条件下的计算结果,最后选取合适的模拟方式,确保仿真结果的准确度。

关键词: 城轨;动车组;车体;强度

1 车体强度计算

车体静强度计算中失衡抬车工况较为恶劣,计算结果和实际偏差较大,仿真结果可信度低,故选取上述工况对其仿真方法进行详细对比研究。如图1.1所示,采用多层板材叠加的方式,来提高架车区域的承载能力。

由于在受压情况下,两板边因焊接可视为一体,而板内仅有面法向位移保持一致,其余两向因板变形而具有各自的位移,因此在有限元建模处理时,该区域常采用CP耦合方程的方式来模拟上下板材的线性接触关系,即两板边缘角焊缝约束三向平动自由度CP单元,中间区域约束垂向自由度CP单元,该工况模拟当转向架抬车时,由于一处架车区故障抬高10mm导致失衡,对应有限元模型在四处架车区给予固定约束, 其中一处垂向位移10mm;转向架质量通过施加集中力于其质心处,并通过rbe2单元连接对应车下吊挂点位,经ANSYS计算得到应力分布云图,如图1.2所示,最大应力549MPa,远超铝合金屈服强度,从直观上看是由于铝合金材料强度低或板材太薄导致,但从有限元基本理论分析可知,

虽然两板件通过CP单元模拟线性接触,但壳单元只有中性层一层节点,且单元只是在节点之间传递信息,应力等结果均通过节点位移外推而来,因此即使在下板面施加位移约束,与之相连的壳单元也因与约束边界相连而不产生应力,其节点位移信息直接传递到上层节点,故在应力图中该区域为蓝色无应力,下板完全失效。

2 模拟方法研究与改进

通过上节分析可知,由于壳单元只有一层节点,在约束条件附近如果采用传统的耦合方式模拟会造成板材失效,模拟结果较差,为了验证此结论,选取一简单的两板边焊算例,如图2.1所示,两板边缘角焊连接,板下及两侧固定约束,整体垂向承载。

其中(a)图采用传统的耦合方式连接,(b)中结构删除小板,通过ANSYS计算两种情况下应力分布一致,可知耦合连接的小板完全失效,在结构中等效于不存在,因此以往处理此类结构区域时,对应网格节点不仅没有起到任何有效作用,还浪费了大量的时间,工作效率低,模拟结果不准确,因此可以考虑,在约束附近的板焊接直接采用局部加厚的建模方法,即在多层叠板的位置,给壳单元更大的厚度。

3 DMU车体局部改进

根据第二节分析可知,失衡抬车工况应力过大的原因,主要由于局部板厚加強不足和模拟方式有误所致,为此将局部结构进行改进如图3.1a所示,在架车位附近和外侧梁均加焊补板,焊接模拟用局部单元加厚的方式,对应计算结果如图3.1b所示,应力从549MPa降低为271MP,若仍用传统的接触耦合模拟方式,即使结构改进计算结果也不会有显著变化,从而对设计人员产生错误的引导方向。

4 结论与建议

本文以车体为研究对象,分别采用两种不同的模拟方式,计算失衡抬车工况应力,经对比分析得出结论如下:

(1)在约束区附近,采用传统的接触耦合模拟方式,计算结果与实际偏差较大,而前处理阶段需要为此对应网格节点,不仅操作难度大、效率低,而且不具有实际效应。

(2)对于板壳结构而言,以面法向载荷或压缩为主的工况,可以直接采用加厚的方式模拟;如果约束区存在板焊接,则必须采用该方式建模,并且需要扩大加厚区。

(3)车下架车位通常应采用局部加补焊板的方式,来提高其强度。

(4)对于车体强度计算,如空气弹簧座、架车位和牵引梁等的多层板边焊结构,均可采用局部加厚的方式模拟,不仅效率高,操作简便,而且具有很好的准确性,节省了大量的时间和成本。

参考文献

[1] 李心宏. 理论力学. 大连理工大学出版社. 2004.

[2] 王勖成. 有限单元法. 清华大学出版社. 2003.

[3] 王新敏. ANSYS结构分析单元与应用. 2011.

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