CRH3型动车组中间车车体结构强度分析

1、CRH 3型动车组中间车车体结构强度分析郭春丽1, 齐淑萍2(1. 河北理工大学机械学院, 河北唐山 063009 (2. 唐山机车车辆厂高级技校, 河北唐山 063030摘要:在充分了解分析CRH 3铝合金中间车车体结构和材料力学性能的基础上, 采用有限元分析软件ANSYS 建立车体有限元模型, 参照相应规范, 对车体在垂直载荷、纵向压缩、拉伸、气动及合成载荷工况作用下的强度和刚度进行校核, 并为铝合金车体结构的改进和优化设计提供依据。得出结论:车体强度、刚度满足要求。此外还对铝合金设计中应注意的问题提出了有价值的建议。关键词:铝合金车体结构; 有限元分析; 载荷中图分类号:TH12 文献标

2、识码:A 文章编号:1672-1616(2010 13-0047-04 有限元法是将连续的物体离散化, 分解为由有限个单元组成的模型, 即进行网格划分, 进行离散化模型求数值解1。笔者采用有限元分析软件ANSYS 建立了车体有限元模型。ANSYS 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件, 可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程等一般工业及科学研究, 它具有多物理场解析、非线性计算、耦合场的分析、设计优化以及开放性等特点2。1 CRH3动车组车体结构的主要技术特点CRH3车体采用大型挤压中空铝型材焊接而成, 司机室

3、采用弯曲铝型材梁和板状铝型材作蒙皮的焊接结构。底架、侧墙和车顶采用大型空心截面的挤压铝型材, 中空挤压型材的长度可达车体全长。车体承载结构是由底架、侧墙、车顶、端墙以及设备舱组成的一个整体。中间车的三维图和铝合金车体结构图分别如图1和图2所示。CRH 3动车组主要技术参数见表1。车体主要组成部分的特点如下。底架:主要由2大部分组成 底架前端和地板。它们通过连接梁、连接板相连, 连接梁为型材, 连接板可以调整宽度, 保证车体长度。图1 中间车的三维图图2 铝合金车体结构图表1 CRH3动车组主要技术参数参数名称参数值车辆长度中间车24825mm, 端车25860mm车体宽度3265mm 轴重 1

4、7t 车体自重约11t 最高运行速度350km/h侧墙:在型材内侧有T 型槽或L 型导轨, 用来安装内装件或设备。车顶:动车组各车体车顶的共同结构都是由5收稿日期:2010-03-03( , , , 47! 现代设计与先进制造技术! 郭春丽 齐淑萍 CRH3型动车组中间车车体结构强度分析块大型中空铝型材拼焊而成, 由于平顶型材整体的截面厚度比较小, 所以型材上下面及中间筋的材料厚度均比其他部位型材厚很多。端墙:主要由门框、角柱、端墙板和端墙附件4部分组成。2 铝合金车体的有限元计算模型2. 1 铝合金车体的几何模型铝合金车体基本采用中空挤压型材(枕梁、牵引梁除外 , 在建立车体有限元的几何模型

5、时, 应尽量反映车体的结构特点, 故把车体的几何实体全部简化为面, 以利于有限单元的划分。在建立结构模型时, 遵循了以下原则:a. 因非承载对结构的整体变形影响很小, 故进行了省略。b. 对结构表面的孔、台肩等进行了圆整处理。利用Pro/E 三维软件建立的铝合金车体的几何模型图如图3和图4 所示。图3 铝合 金车体的几何模型图4 用于创建有限元单元的车体一个横断面2. 2 铝合金车体的有限元模型为尽可能反映出车体实际情况, 计算模型遵循求真#原则3, 在建模前作预处理。考虑到铝型材拼装搭焊处刚度较大的实际情况, 利用刚度等效原理, 反求出搭接处等效厚度。为使等效结果与实际情况吻合, 在用块体元

6、模拟的等效模型中, 利用 计算模型采用2种方案, 扭转工况和三点支撑空车工况用整体结构模型, 其他工况用1/2结构模型。用于划分网格的几何形状几乎全从设计中各处厚度的中面提取, 其中包括车顶、侧墙、下边梁、底架、端墙等均用相对等厚度的薄壳元模拟; 少量门柱、角柱等, 则用梁元模拟。计算模型数据见表2。图5为1/2结构的有限元网格, 图6为部分底架的有限元网格。表2 铝合金车体计算模型数据单元总数结点总数整体结构计算模型2395041823201/2结构计算模型11975293080图5 1/2结构有限元网格图图6 底架有限元网格2. 3 计算负荷、计算结果及其分析参照相应规范计算的基本载荷如下

7、:垂向载荷、压缩载荷、拉伸载荷、300kN 纵向压缩载荷、扭转载荷、只是一端连同转向架顶起时的载荷F cz 、三点支承空车载荷F zc 和合成载荷。a. 垂向弯曲刚度。垂直静载荷作用下, 侧墙下侧梁中部最大挠度为f c =8. 4m m 。将f c 代入垂向弯曲刚度计算公式:E J =WL 22384f c (5L 22-24L 21 =2 4071015N ! 2 152482010年7月 中国制造业信息化 第39卷 第13期垂向弯曲刚度满足要求。b. 扭转刚度。在扭转载荷M k =40kN ! m 作用下得到4个支承点垂向距离变化值后, 可得到相对扭转角: =( 1- 2 -( 3- 4b

8、 2=0 001239rad (2以及相当扭转刚度:GJ p =L M k=5 8111014N ! mm 2>5 51014N ! mm 2/rad (3相当扭转刚度满足要求。c. 强度。表3给出了每一计算载荷作用下, 主要部位的高应力值。表3 各工况主要部位高应力值单位:M Pa15535373d. 枕梁和牵引梁应力分析。因枕梁和牵引梁是焊接件, 有长焊缝, 且整体应力水平较高, 所以为了便于对枕梁和牵引梁进行详细考察, 这里给出在有纵向力的合成1工况和合成2工况枕梁及牵引梁腹板局部应力。(1 枕梁。在合成载荷1(垂直总载荷F cz 与静态纵向压缩载荷F ys 合成 的状态下, 枕梁

9、最大应力发生在腹板上的孔边(129M Pa , 腹板的上下边 (焊缝 应力可达100M Pa 左右, 应力分布如图7所示。图7 合成 工况枕梁腹板应力在合成载荷2(垂直总载荷F cz 与静态纵向拉伸载荷F ys 合成 的状态下, 枕梁最大应力发生在腹板上的孔边(177M Pa , 腹板的上下边(焊缝 应力可达100MPa 左右, 应力分布如图8所示。图8 合成载荷二枕梁腹板应力(2 牵引梁。在合成载荷1(垂直总载荷F cz 与静态纵向压缩载荷F ys 合成 的状态下, 牵引梁最大应力发生在腹板拐角处的圆孔边缘(237M Pa , 这是全车结构应力最大之处, 并且很接近腹板的焊缝, 应充分注意,

10、 应力分布如图9所示。图9 合成载荷二牵引梁腹板应力在合成载荷2(垂直总载荷F cz 与静态纵向拉伸载荷F ys 合成 的状态下, 牵引梁最大应力发生在腹板拐角处的圆孔边缘(261M Pa , 这也是全车结构应力最大之处, 由于很接近腹板的焊缝, 应充分注意, 应力分布如图10所示。3 结论与建议3. 1 刚度由前面的分析可知垂向弯曲刚度、扭转刚度、强度均能满足规范要求。因牵引梁和枕梁焊缝处应力水平较高, 设计中应适当考虑。3. 2 铝合金车体设计应注意的问题a. 侧墙和门柱的接口问题。49! 现代设计与先进制造技术! 郭春丽 齐淑萍 CRH3型动车组中间车车体结构强度分析 图10 合成载荷二

11、牵引梁腹板应力在车体结构中, 门角的应力都比较大, 为保证侧墙门柱的强度, 在门柱两侧加筋板补强。具体方案如图11 所示。1 门柱; 2 侧墙图11 侧墙和门柱的连接b. 端墙和侧墙的接口问题端墙和缓冲梁的连接。端墙和侧墙的连接存在与侧墙和门立柱连接的问题, 而且门角柱折弯后存在不平度、垂直度等问题, 造成端墙和侧墙的垂直度、不平度不够的问题, 因此建议端墙采用厚铝板的方案。厚铝板和车顶连接采用角接连接, 和端角柱采用补强的连接, 具体方案如图12 所示。1 门柱; 2 侧墙; 3 端角柱图12 端墙和侧墙的连接参考文献:1 洪庆章. ANS YS 学习范例M . 北京:中国铁道出版社,200

12、2.2 丁 科, 陈月顺. 有限元法M . 北京:人民大学出版社,2006.3 黄 义. 弹性力学基础及有限元法M . 北京:冶金工业出版社, 1986.The Structure Strength Analysis on the Internal -C ar Body of CRH 3GUO Chun-li 1, QI Shu-ping2(1. H ebei Polytechnic U niversity, H ebei Tangshan, 063009, China(2. T ang shan Locomotive &Rolling Stock Works, Hebei T ang

13、shan, 063030, ChinaAbstract:It uses the finite element analysis software ANSYS l to establish model of the body under internal-car body structure of aluminum, checkes strength and stiffne ss of the body in the vertical load, vertical c ompression, tensile, pneumatic and synthetic. This provides a ba

14、sis for optimal design to improve and optimization. Key words:Aluminum Body Structure; Finite Element Analysis; Load(上接第46页3 张继春. Pro/ENGINEER 二次开发实用教程M . 北京:北京大学出版社, 2003.4 李世国. Pro/TOOLKIT 程序设计M . 北京:机械工业出版社, 2003.5 吴立军, 陈 波. Pro/ENGINEER 二次开发技术基础M .北京:电子工业出版社, 2006.The Parametric Design of Infrar

15、ed Optical Thermal Equipment Based on Pro/EGUAN Qiang 1, ZHANG Yu 1, LI M ao-zhong 2, WANG Guo-dong 1(1. Kunming U niversity of Science and Technology , Yunnan Kunming, 650093, China(2. Kunming Institute of Physics, Yunnan Kunming, 650223, ChinaAbstract:Based on the designing method of infrared thermal equipment, it applies VC+6. 0development enviroment and Pro/T OOLKIT to develop the parametric desig n module of IR thermal equipment, builds pro fessional module for thermal equipm