鋁合金鼓形車體結構設計與計算淺析

論文類別:工學論文 > 工業設計論文
論文作者: 蘇…
上傳時間:2011/11/10 10:57:00

摘要:文章介紹了一种B型鋁合金鼓形車體結構的輕量化設計,建立了該車體結構的有限元模型,並依據相關標準分析了其在各個工況下的應力、變形及模態頻率。结果表明,該車體結構的强度和剛度均滿足相關技術要求。

關鍵詞:地鐵車輛鼓形車体有限元鋁合金

0.引言

本文介紹的是一款具有流线外形,采用輕量化设計,適合在城市高架線路上運營的全新B型鋁合金鼓形車體。得益於鋁合金型材擠壓技術和折彎技術的日益成熟,車體輕量化设計的可靠性和穩定性得到了有力保證。 本設计存在兩大技術難點:其一是據现有擠壓和焊接工藝,設計滿足全壽命使用要求的輕量化車體結構;其二是设計滿足流線形頭罩安裝的功能情司機室骨架結構。本文將就上述兩点分析車體結構,並利用有限元方法對其結構強度和模態振型進行分析。

1.車體结構設計

本輕量化車體為整體承载的鋁合金全焊接結構,由底架、側墙、端墻、車頂和司機室骨架结構等部分組成,如圖1所示。其主要技術參數如下: 長度/mm 19300 最大寬度/mm 2800 高(軌面至車頂)/mm 3687 車輛定距/mm 12600 車門間距/mm 4450 車體自重/t6.6 整備重量/空載( AWO)/t 31 超載( AW3)/人 326 設計时速/km/h 90 車體鼓形斷面以車輛限界為基礎確定车體外部輪廓線及車體鼓形拐点,充分利用了限界空間,擴展了車輛內部的乘客站立空間。圖2为車體結構斷面圖。

1.1 車體主体結構型材設計

車體的主体結構均為大斷面中空型材,主要有底架邊梁、车頂邊梁、端墻、門立柱、側墻板、底架地板等,其總重占車體重量達80%。目前,國內企業能擠壓出满足鐵路應用要求的鋁合金型材最小壁厚為2mm,隨著截面增大和內部筋板厚度的降低,擠壓難度增加;在車體焊接方面,國內主要采用MIG焊,且隨著鋁合金板厚的降低,其焊接難度和變形是不斷增大的。同時,考慮焊接質量和安全性,主體結构須保證連接處型材外壁具有足夠的厚度。

一般情況下,車頂邊梁和長梁型材均采用大斷面、稀疏而厚度較大的筋板,直接導致了車頂重量的增加。這里通過合理配比筋板數量、截面材料利用率等,使重量大幅下降。與以往在长梁型材上加工空調梁不同,本结構單獨設計空調梁並阻焊在長梁上,節省了大量的材料和加工成本,如圖3車頂邊梁、長梁和空調梁組裝圖。

側墻板型材斷面大量采用三角形或梯形截面,3 -4mm的外壁和2-3mm的內筋板,保證了侧墻的平面度和剛度,其型材見图4。門立柱采用“日”字型腔,較小的壁厚就能达到很好的折彎性能和剛度,結構如圖5。

底架边梁內筋板厚度為3-4mm,外壁厚度約5mm,保证了結構剛度和焊接性,如圖6底架邊梁型材圖。為簡化安裝和增加長地板的設備懸掛能力,長地板上分布了大量的C形槽,如圖7a長地板型材圖。

端墻包括端墙立柱和墻壁,為了保證端墻的穩定性,采用了一塊整體型材,如圖7b端墻型材。

1.2 司機室結构設計

司機室采用流線形設計,其骨架結構須滿足三個功能:一是強度要求;二是使司機室空間最大化;三是匹配頭罩,預留足夠的安裝空間。

图8是司機室骨架結構圖,其設計重難點包括以下幾个部分:

1)主橫梁及支撐立柱。為增加連接的可靠性,應增加主橫梁與門立柱的焊缝長度,同時預留頭罩粘接區域。主橫梁與門立柱焊接區域要避开門立柱的折彎區,同時應考慮司機操縱臺的主要是安裝及視野開度等對主橫梁的高度要求。

2)縱梁。司機室門立柱變形主要是主橫梁縱向擠壓引起的。为減小門立柱的變形,分散縱向力,这裏設置縱梁與主橫梁相接,將縱向力傳遞到車頂,並在縱梁彎曲前段設置了三根彎橫梁,向門立柱上部傳力。此外,縱梁仰角、折彎半徑和斷面尺寸是設計中優化的重點。

3)彎橫粱。結構設計的關鍵在於設計适當的彎曲半徑、U型材的截面和撐板等。

4)与接口有關的功能結构設計,主要有前窗上橫梁和短纵梁。

2.有限元建模

2.1有限元模型

本計算采用I-deas仿真軟件,根據車體型材和板材的不同厚度,將三維模型簡化為不同板厚的幾何中面,而後離散為具有相同材料屬性的網格模型。計算模型包括196687個節點,250688個殼單元,其中四边形殼單元( she11)245329个,三角形殼單元5357個,剛體单元2個。

2.2計算工況

參照標準EN12663—2000:鐵路車輛車體的結構強度要求,共計算了22種工況,主要考核工況如下。

工况O:AWO空載工況;

工況1:AW3超載工況,客室區站立區9人/m2;

工況2:1.3倍AW3工況;

工況3:工況1+縱向800kN壓縮力;

工况4:工況l+縱向640kN拉伸力;

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工况5:工況0+縱向300kN前窗压力;

工況6:工況0+縱向300kN后端墻壓力;

工況7:帶轉向架四點架車,每個轉向架5.75t;

工況8:復轨工況,垂向AWO+頂車端轉向架重量5.75t,;

工況9:牽引梁三點架車,垂向AWO,一頂車點放開垂向約束;

工況10:枕梁三點架車,垂向AWO,一架車點放開垂向約束。

3.結果分析

3.1車體變形

AW3状態下,相對於無重力狀态,底架邊梁的最大垂向位移為7.3mm。根据GB/T7928-2003《地铁車輛通用技術條件》標準,“在最大垂直載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉向架支撐點之間距離的1%‰”,該車的兩轉向架支撐點之間距離為12600mm,所以該铝合金車體的剛度符合要求。

3.2应力分析

設計許用應力[σ]是由材料極限應力除以相應的安全系數得到的。应用中根據設計工況出現的概率和重要程度來確定安全系數的大小。如運營載客工況,選用較高的安全系數1.3,復軌架車工況等選用較低的安全系數1.1。根據材料和制造工藝的不同,計算結果應相對安全系數有一定的裕量。

超載狀態下車鉤压縮載荷工況,車體各主要零部件的應力如表1所示。

图10-13是各極限工況下的危险點應力雲圖。計算結果顯示,各工況下車體結構及焊縫的計算應力均小於相應許用应力,滿足設計要求。

4.模態分析

模态分析可以計算車體結構的固有頻率和確定車體的振型,而固有頻率和振型是承受動態載荷结構設計中的重要參數。同時,模態分析還可用於判斷結構的整體或局部的剛度。為提高車體剛度,保證車辆在要求的空間限界內,避免由於外界激振引起車體的不良動態響應,提高车輛舒適度提供參考。 此次分析用質量塊模擬設备重量加載在車體上,并采用了拉格朗日算法。計算分兩種工況,即空車自由模態和整備狀態自由模态。表2是車體空車自由模態和整備狀態自由模態的前6階计算結果。

通常,轉向架的振動频率為4-6 HZ。而車體整備狀態下一階垂向弯曲頻率為9.82 HZ,為轉向架振動頻率的1.6倍以上,不會與轉向架產生激振,符合設计要求。圖14和圖15是車體整備狀態自由模態的前兩階振型。

5.结束語

通過對車體結構进行有限元分析,其结果表明車體的結構強度和剛度均滿足EN12663-2000標準要求。其流線形的司機室骨架結構和輕量化設计為B型地鐵鼓形車體結構的優化设計提供了技術基礎。

參考文獻

[1] EN12663-2000,鐵路車輛車體的结構強度要求[s].

[2] EN15085-2007,軌道車輛及其部件的焊接.

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