王琰 馮亮 王志俊 羅超 羅鵬

(唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心,河北唐山 063035)

基于ANSYS的B型不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)強(qiáng)度分析

王琰 馮亮 王志俊 羅超 羅鵬

(唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心,河北唐山 063035)

本文介紹了薄壁筒型整體承載的B型地鐵不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)頭車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及車(chē)輛的主要參數(shù)。在三維模型軟件Pro/E中建立了頭車(chē)的模型,依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)確定了載荷參數(shù)及工況,運(yùn)用有限元分析軟件AYSYS求解器進(jìn)行求解,得到車(chē)體結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變。結(jié)果表明該不銹鋼車(chē)體的強(qiáng)度滿足要求,同時(shí)為車(chē)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

不銹鋼 ANSYS 工況 優(yōu)化

1 引言

不銹鋼具有耐腐蝕、外形美觀、使用壽命長(zhǎng)、重量輕、強(qiáng)度高、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),得到了國(guó)內(nèi)外地鐵生產(chǎn)廠家的青睞。不銹鋼的高強(qiáng)度使得不銹鋼車(chē)體輕量化得以實(shí)現(xiàn),大大降低了車(chē)輛和線路的維護(hù)費(fèi)用,節(jié)約能源[1-2]。但是,不銹鋼具有較高的熱膨脹系數(shù)和較低的熱傳導(dǎo)率,在焊接的過(guò)程中熱量不能很快的分散開(kāi),從而使得不銹鋼的焊接性能比較差,而且容易產(chǎn)生焊接變形[3-4]。因此,為保證焊接后的車(chē)體強(qiáng)度及乘客的人身安全,本文進(jìn)行了車(chē)體的強(qiáng)度和剛度的有限元分析。

表1 車(chē)體主要技術(shù)參數(shù)

圖1 整車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖2 仿真分析流程

圖3 垂向載荷工況下的應(yīng)變?cè)茍D

2 不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

B型地鐵不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)頭車(chē)車(chē)體方案采用薄壁筒型整體承載的不銹鋼點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)形式。車(chē)體組成采用模塊化設(shè)計(jì),主要由底架、側(cè)墻、車(chē)頂、端墻及司機(jī)室等模塊組成,各大部位之間通過(guò)焊接的方式連接起來(lái)。

車(chē)體底架為無(wú)中梁結(jié)構(gòu),主要由一、二位端底架、底架邊梁、主橫梁及波紋地板組成。其中端底架由端梁、牽引梁、枕梁、邊梁及不銹鋼橫梁組成。側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用帽型梁與外板形成箱型的結(jié)構(gòu),梁柱之間采用高強(qiáng)度的連接板點(diǎn)焊連接。側(cè)墻由外墻板、門(mén)扣鐵、門(mén)上結(jié)構(gòu)組成、梁柱等組成。側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì),由門(mén)口隔開(kāi)為5個(gè)分塊側(cè)墻。左右兩側(cè)共設(shè)計(jì)有5個(gè)門(mén)和3個(gè)側(cè)窗。車(chē)體車(chē)頂由兩根冷彎型鋼邊梁、數(shù)根拉彎成形的車(chē)頂彎梁點(diǎn)焊在一起,形成桁架結(jié)構(gòu),然后在桁架上鋪設(shè)側(cè)頂板和波紋頂板。車(chē)頂上設(shè)置兩個(gè)空調(diào)機(jī)組安裝平臺(tái)。端墻主要由端墻骨架、端墻外板以及小件等組成。其中端墻骨架采用梁、柱焊接形成。

司機(jī)室結(jié)構(gòu)形式為不帶逃生門(mén)的不銹鋼骨架梁結(jié)構(gòu),梁與梁之間通過(guò)焊接方式連接起來(lái),通過(guò)圈梁、立柱分別與側(cè)墻、車(chē)頂、底架連接起來(lái),形成共同受力的整體。

2.2 車(chē)體的主要技術(shù)參數(shù)

圖4 司機(jī)室壓縮應(yīng)變?cè)茍D

B型不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)的車(chē)體技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

3 不銹鋼車(chē)體有限元模型

根據(jù)頭車(chē)車(chē)體三維實(shí)體模型確定所有結(jié)構(gòu)和型材的實(shí)際斷面;然后,建立車(chē)體相應(yīng)結(jié)構(gòu)和型材的中面線框,建立與之對(duì)應(yīng)的有限元分析所需的車(chē)體三維中面模型。凡是對(duì)該車(chē)整體剛度及局部強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu),都予以考慮。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性,模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主,三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。整車(chē)結(jié)構(gòu)的有限元模型中單元總數(shù)為1116788,結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1156716,圖1給出了整車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的有限元模型。

3.1 仿真流程

首先,在Pro/E中建立頭車(chē)的三維模型,為了減少工作量提高仿真效率對(duì)車(chē)上、車(chē)下及車(chē)外設(shè)備的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。其次,保證在Hypermesh中劃分的網(wǎng)格滿足下面條件,三角形網(wǎng)格一般不應(yīng)超過(guò)總網(wǎng)格數(shù)的10%,網(wǎng)格的雅克比(0．5～1)、長(zhǎng)寬比(1～10)、偏斜度(小于60°)、翹曲度(小于5°),翹曲單元(不得超過(guò)總數(shù)的15%)、四邊形單元最小角度(大于25°)和最大角度(小于150°)、三角形單元最小角度(大于12°)和最大角度(小于140°)等。再次,參照BS EN12663-1：2010《鐵道應(yīng)用——軌道車(chē)身的結(jié)構(gòu)要求》確定了本文的仿真參數(shù)和仿真工況。最后,利用ANSYS軟件自帶的求解器進(jìn)行求解,具體仿真過(guò)程參照?qǐng)D2。

3.2 仿真工況

參照BS EN12663-1：2010《鐵道應(yīng)用——軌道車(chē)身的結(jié)構(gòu)要求》共設(shè)定了16中仿真工況,垂向靜載荷工況2個(gè),縱向靜載荷工況4個(gè),救援工況2個(gè),吊車(chē)工況2個(gè),扭轉(zhuǎn)工況1個(gè),沖擊工況1個(gè),壓縮工況4個(gè)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 應(yīng)變分析

垂向載荷工況作用下：AW3時(shí),車(chē)體的垂向位移云圖如圖3(a)所示,車(chē)體中部邊梁下翼緣的垂向位移為9．7mm;1．3×AW3時(shí),車(chē)體的垂向位移云圖如圖3(b)所示,車(chē)體中部邊梁下翼緣的垂向位移為12．6mm。因此,B型地鐵不銹鋼點(diǎn)焊車(chē)頭車(chē)車(chē)體在超載(AW3)條件下,車(chē)體中心線上邊梁的垂向位移為9．703mm,小于設(shè)計(jì)許用值12．6mm。

4.2 應(yīng)力分析

各工況作用下,車(chē)體的最大應(yīng)力情況如下：

垂向載荷工況作用下：最大應(yīng)力分別為258MPa、336MPa,均發(fā)生在側(cè)墻連接板處;壓縮載荷工況作用下：最大應(yīng)力分別為577MPa、575MPa、456MPa、458 MPa,均發(fā)生在車(chē)鉤座與牽引梁的連接處;救援載荷工況作用下：最大應(yīng)力分別為392MPa、375MPa,均發(fā)生在車(chē)平頂與圓頂連接角處,吊車(chē)載荷工況作用下：最大應(yīng)力分別為266MPa、296MPa,均發(fā)生在車(chē)平頂與圓頂連接角處;扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下：最大應(yīng)力為101MPa,發(fā)生在枕梁端部扭轉(zhuǎn)載荷施加處;沖擊載荷工況作用下：最大應(yīng)力為231MPa,發(fā)生在側(cè)墻連接板處。司機(jī)室壓縮載荷工況作用下：頭部壓縮時(shí),最大應(yīng)力出現(xiàn)在載荷施加處,分別為612MPa和1430MPa,;尾部壓縮時(shí)：最大應(yīng)力為366MPa和1410 MPa,發(fā)生在車(chē)車(chē)平頂與圓頂連接角處和尾部載荷施加處,詳見(jiàn)圖4中司機(jī)室頭部和尾部的壓縮情況。

上述的16中載荷工況作用下,僅有司機(jī)室壓縮載荷工況作用時(shí)出現(xiàn)了應(yīng)力集中點(diǎn),針對(duì)應(yīng)力集中部位采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施,進(jìn)行應(yīng)力改善,補(bǔ)強(qiáng)后的模型計(jì)算同現(xiàn)有計(jì)算方法一樣,結(jié)果表明應(yīng)力得到了明顯的改善。其它工況作用下應(yīng)力比較小,且強(qiáng)度合格不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

上述計(jì)算表面,使用殼單元模擬車(chē)體梁、板結(jié)構(gòu),能夠有效的反映出不銹鋼車(chē)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),是車(chē)體靜強(qiáng)度分析的有效手段。

(1)本文提出的16種載荷工況有效的模擬了B型不銹鋼地鐵在運(yùn)行過(guò)程的超載、碰撞、救援、吊車(chē)等工況經(jīng)有限元靜強(qiáng)度計(jì)算,車(chē)體在給定的各種工況下的應(yīng)力水平都小于相應(yīng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力且垂向剛度變形在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。(2)本文的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1]姚曙光,許平.輕型不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)研究[J].城市軌道交通研究,2004,(5):82～84．

[2]朱劍月,沈培德.地鐵B2型鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜強(qiáng)度分析[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛,2005(2):14～16．

[3]陶然,賈宇.地鐵不銹鋼車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析[J].中國(guó)科技成果,2006(6):52～54．

[4]李培,孫麗萍.地鐵不銹鋼車(chē)體強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē),2011(4):17～19．

王琰(1979-),女,河北唐山,工程師,從事地鐵城軌車(chē)體和車(chē)端連接設(shè)計(jì),曾擔(dān)任多種車(chē)型車(chē)體的設(shè)計(jì),并且擔(dān)任部位工程師。