高速列车复合材料司机室混杂结构有限元分析

1、10高速列车复合材料司机室混杂结构有限元分析2006年3月高速列车复合材料司机室混杂结构有限元分析张胜, 江大治, 周升112(11国防科大航天与材料工程学院, 长沙410073; 21株洲电力机车广缘科技有限公司, 株洲412001摘要:本文以典型高速列车钢制司机室结构为设计原型, 利用有限元分析软件2ANSYS 对其刚度和强度进行分析。在满足司机室对刚度和强度要求的前提下, 提出了一种新型列车司机室结构形式2钢骨架复合材料司机室混杂结构。对比分析该结构形式与钢制司机室作, 结果表明, 利用玻璃钢泡沫夹芯材料设计复合材料司机室混杂结构, 一方面可以提高司机室整体承载能力, 另一方面可以减轻司

2、机室20%自重。关键词:高速列车; 玻璃钢; 泡沫夹芯; 有限元; 结构分析中图分类号:U260138文献标识码:A 文章编号: 21引言, 续5次实行大高时速约200km /h, 300k m /h 时速相比还存在较大差距, 因此如何进一步提高列车速度, 成为科技工作者所面临的挑战。目前实现提速的途径主要是对线路进行改造、加大机车牵引功率、降低车体自重等。其中减轻列车自重这一途径具有显著经济效益和社会效益。在实现提高时速的同时它还能降低能耗、减少废气污染及提高有效运输能力。利用轻质高强的复合材料制造列车是降低自重的重要手段, 同时新型的复合材料成型工艺能一次整体成型大尺寸且具有复杂曲面的司机

3、室。与常规的金属材料加工工艺相比, 利用复合材料制造列车司机室1能降低制造难度, 节约制造成本。国外利用复合材料制造列车车体及司机室结构已达到相当高的水平。早在1977年英国使用层压FRP 板包覆聚氨酯泡沫芯构成夹层结构制造城际125型机车。在法国和日本等发达国家这项技术也司机室进行了刚度、强度分析, 对比分析了两种结构的受力特点, 为将来对复合材料司机室结构进行优化设计、开发整体成型技术奠定基础。2典型钢结构司机室及其结构分析为了充分发挥复合材料的力学特性, 先对钢制司机室进行结构的强度和刚度分析, 明确各部件的应力和变形情况。在此基础上结合树脂膜熔融渗透(RF I 工艺特点, 合理地确定复

4、合材料的使用部件和范围, 得到一种较为理想的复合材料司机室结构。211司机室结构本文研究的复合材料司机室是以正在服役的某型高速列车司机室为设计原型, 外形轮廓尺寸为256231002470mm (见图1 。其主体结构大致可分为钢骨架和蒙皮两部分。钢骨架主要由宽为80mm , 厚分别为8mm 、10mm 、14mm3种规格的高耐候钢板焊接组成。材质模量为200GPa, 泊松比为013, 屈服强度为345MPa 。蒙皮采用2mm 厚不锈钢板, 司机室结构总重量约为828kg 。较成熟, 如法国的TG V 和日本新干线E4机车都采用泡沫夹芯复合材料制造司机室结构, 这不仅降低了司机室自重, 而且减少

5、了尺寸误差, 提高了碰撞吸能性能和阻燃等性能。我国利用复合材料制造司机室结构现处于起步阶段, 仍以手糊工艺为主, 与发达国家相比尚存较大差距, 目前首辆采用玻璃钢泡沫夹芯材料制造司机室结构的机车将投入上海地铁明珠线运营, 而利用新工艺制造复合材料高速列车司机室尚在探索中。本文利用有限元分析软件图1司机室结构2收稿日期:2005205230本文作者还有曾竟成和刘均。基金项目:国家863项目(2003AA333120作者简介:张胜(19752 , 男, 硕士研究生, 主要从事聚合物基复合材料成型工艺及结构设计研究。FRP /CM 2006. No . 22006年第2期玻璃钢/复合材料11212有

6、限元建模及单元选择司机室所受载荷进行简化。简化后司机室所受载荷主要有保护工况所要求的下窗处能承受总值为300k N 的压力及6KPa 会车风压(见图1 。至于机车制动力对司机室的作用, 因受车架刚度及司机室与车架连接方式的影响, 暂不考虑。为满足保护工况的要求, 钢骨架在前窗下部布置了厚10mm 、间距200mm 的两排板梁, 其上覆以5mm 厚的钢板, 形成为了简便计算的同时又不失真实性, 在建立司机室有限元模型时做了以下处理:考虑到司机室结构和载荷都具有对称性, 根据对称性原则, 取司机室的半结构建立有限元模型。同时对于一些对结构刚度、强度影响不大的构件如车窗玻璃、车灯等, 在建模时不做考

7、虑, 从而有效的简化了计算模型(见图2 。局部的加强结构, 承力面积约016m , 故将300k N 力均布于该面积上, 500KPa 的压强。司机。前窗玻璃以及, 故施加固定约束。钢骨架与车架连接处为螺栓连接, 因此施加UX 、UY 、UZ 三向约束, 在司机室对称面上施加对称约束。214应力、变形分析对司机室等效应力图和等效变形图的分析可得, 司机室的最大应力发生在前窗下厚为10mm 板梁与5mm 焊接钢板的连接处, 其值为297MPa, 且在侧窗开孔处的局部区域存在较高的应力。最大变形量为219mm , 位于受500KPa 压强作用的钢板面内中部, 同时在侧窗开口周边亦存在较大的变形。由

8、进一步分析可知, 钢骨架一方面是司机室的主承力框架, 同时也是司机室刚度的重要保证, 在司机室承载中具有重要作用。参考国内外复合材料司机室制造的成功经验, 选择混杂结构作为司机室的结构形式, 即司机室的承力框架仍选用钢骨架, 蒙皮采用玻璃钢泡沫夹芯材料。2图2有限元模型司机室结构分析中单元选择是其有限元计算中极其重要的环节, 单元的类型应对结构的几何形状有良好的逼近, 能真实反映结构受力状况, 本文采用能承受平行和垂直中面载荷的SHELL63单元对板3梁和蒙皮进行结构离散(见图3 。利用该单元能最大程度地对司机室的连接局部进行模拟, 而且还能最大程度地反映结构的真实受力状况。3有限元分析及对比

9、分析复合材料司机室有限元模型加载和约束与钢制司机室模型基本一致。为得到一种相对合理的设计, 需先对复合材料司机室进行试算, 依据其试算分析的结果对钢骨架及蒙皮进行修改, 调整钢骨架中的板梁布置, 删除一些受力较小或布置过于密集的板梁, 同时确定蒙皮的厚度, 最终获得了下文所述的图3壳单元SHE LL63结构。311有限元模型的建立蒙皮由30mm 和80mm 两种玻璃钢泡沫夹芯结构组成, 玻璃钢上、下面板厚度一致。30mm 玻璃钢泡沫夹芯结构的面板厚度为3mm , 芯材厚度为24mm 。80mm 玻璃钢泡沫夹芯结构的面板为5mm ,213加载与约束司机室作为机车的一个主要部件, 所受载荷作用也相

10、当复杂, 完全模拟会较困难。根据一般经验可知, 司机室结构如满足最大静载荷作用要求, 则其疲劳强度也将满足要求, 故在此只考虑静载作用, 对芯材为70mm 。复合材料司机室自重680kg 。复合材料司机室有限元模型仍采用SHELL63对板梁进FRP /CM 2006. No . 212高速列车复合材料司机室混杂结构有限元分析2006年3月行结构离散。采用具有激活夹芯结构功能的SHELL91对其进行结构离散(见图4 。4, 且将节点置于顶面51图4SHE LL91单元位的厚度, 将80mm 于司机室的前部, 代替厚钢板承受500KPa 的压强作用, 其它部分蒙皮厚度为30mm 。在保证司机室刚度

11、和强度前提下适当去掉前窗和侧窗处的部分受力较小的钢梁。玻璃钢泡沫夹芯结构作为复合材料司机室的承力主体之一, 材料的力学性能将直接影响其承载能力。本文中所采用的玻璃钢泡沫夹芯结构面板为利用RF I 工艺制作的玻璃钢板, 主要原材料为014无碱玻璃方格布和环氧树脂膜(见表1 。夹芯层采用ROHACELL 2110I G 型泡沫夹芯(见ANSYS 计算结果表明, 在, 钢骨架可能危险的截面位于前窗下部中间竖向与斜向支撑结合部, 其最大应力为280MPa 。司机室最大变形量为312mm , 位于受500KPa 压强作用的面内中部。蒙皮的危险截面出现在500KPa 压强作用下玻璃钢泡沫夹芯层结构上, 玻

12、璃钢泡沫夹芯层结构各层应力见表3。表3玻璃钢泡沫夹芯结构各层的最大应力位置最值S X /MPaSY/MPaSZ/MPa/S XY/MPaSYZ/MPaSXZ/MPaN 玻璃钢M I-319816上面板MAX 夹芯层M I N -01029MAX表2 。表1RF I 工艺制备玻璃钢板的基本性能参数材料玻璃钢板V f 45%E x /GPa 1715E y /GPa1715G xy /MPa6015V xy 0112N 玻璃钢M I下面板MAX表2110I G 型泡沫夹芯的基本性能参数材料/kgm -3E x /MPaG xy /MPa110I G 泡沫V xy 0138x /MPaxy /MPa

13、3214采用玻璃钢泡沫夹芯材料制造的复合材料司机室结构与钢制司机室比较, 除前窗部分的板梁应力值较高外, 钢骨架的其它部分及玻璃钢夹芯结构上、下面板的应力偏小。上板最大拉应力为816MPa, 下板最大压应力为1318MPa 。夹芯层中最大剪应力为0123MPa 。没有出现原钢制司机室蒙皮与板梁在结合处及侧窗开洞部位应力集中的现象。与此同时, 复合材料司机室的变形量略有增加, 达到312mm 。这是由于玻璃钢的弹性模量远小于钢材的弹性模量造成的, 但大的变形仅出现在局部受大载荷作用的蒙皮上, 而在侧窗开口周边处没有出现如钢制司机室那样的较大变形, 说明复合材料司机室的整体刚度并未降低。复合材料司

14、机室夹杂结构的受力特征还表明, 泡沫夹芯材料制造蒙皮能更有利于载荷均匀地传递到钢骨架上, 更能发挥钢骨架与蒙皮共同承载的优势, 从而起到增强司机室整体刚度和承担部分载荷夹芯11016050312蒙皮与钢板梁接合对于本文研究的复合材料混杂结构而言, 由于玻璃钢蒙皮及泡沫夹芯层与钢板梁的材料刚度差距比较大, 其接合面的应力、应变状况相当复杂。但考虑到RF I 工艺成型过程中, 树脂将充满玻璃布及泡沫层间隙, 钢板、玻璃布及泡沫夹芯通过树脂实现相互间的连接(见图5 , 且所用树脂的各项力学性能参数均高于夹芯层。为了更有效、更直接地对复合材料司机室进行整体结构分析, 假设用于连接玻璃钢板、夹芯层及钢板

15、梁的树脂粘结强度足够大, 接合面不会先于泡沫夹芯材料及玻璃钢板破坏 。FRP /CM 2006. No . 22006年第2期玻璃钢/复合材料13的作用。这可能与以下几方面因素有关:由于泡沫夹芯与钢骨架间的结合面增多, 增加了结构的传力路径, 使结构整体承载优势得以体现; 由于夹芯结构的等效抗弯刚度与夹芯层厚度的平方成正比, 等效剪切刚度与夹芯层厚度成正比, 因此夹芯层厚度的增加提高了其抗剪承载能力及抗弯刚度5夹芯制作蒙皮的复合材料司机室的混杂结构, 便于采用RF I 工艺一次整体成型。在保证司机室强度、刚度的前提下能减少钢材的用量, 复合材料司机室自重降至680kg 左右, 减重约20%,

16、效果明显。参考文献1胡清寒. 复合材料在铁道车辆中的应用J .国外铁道车辆, 1997(1 13216.2G Belingardi, M P Cavat orta, R . Material characterizati on ofa composite 2foam f fr ont structure of a high s peed trainJ .61132251. J .铁; 玻璃钢面板为大面积连续成型的, 与钢制小块蒙皮铆接相比, 在承担平面内大部分拉伸、压缩和剪切载荷时, 其变形能力优于钢板, 能有效地降低应力集中发生的可能性。4结语综上所述, , , , 增刊1972199.AN

17、SYS7. 0高级分析M.机械工业出版社, 2004. 5Lorna Gibs on,M ichael F A shby . 多孔固体结构与性能M.清华大学出版社, 2003.F I N I TE E L ENT ANALY S I S O F COM PO S I TE CAB F O R H I GH SPEE D TRA I NSZHANG Sheng ; J I A N Da 2zhi ; ZHOU Sheng112(11College of Aer os pace and Material Engineering, Nati onal University of Defense Te

18、chnol ogy, Changsha 410073, China; 21W idege Co 1Ltd 1of Zhuzhou Electric Loco motive Works, Zhuzhou 412001, China Abstract:A ne w composite sandwich cab structure f or high s peed trains is p r oposed in this paper . The cab structure is composed of steel fra mwork and composite sand wich structure

19、s with f oa m cores . A finite ele ment model of the cab structure is built t o investigate the def or mati on and distributi on of stress on the cab structure under app lied l oads . Compared with a full steel cab of the high s peed train, the ne w cab structure is of higher stiffness and 20%decrea

20、se in weight is achieved .Key words:high s peed train; GFRP; sandwich; structure; finite; ele ment; structural design(上接第22页STU DY O F THER M AL CO N D UCT I V I T Y O F GFRP SANDW I CH STRUCTUREPANEL S W I TH HO NE YCOM B CO REZ HOU Zhu 2lin, WANG Ya 2xi ong, Y AO Hui, Z HONG Tian 2lin (Shanghai FRP Research I nstitute, Shanghai 200126, China Abstract