车体强度仿真分析方法研究

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.