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高速列車車體聯接結構的強度有限元分析

發布于:2022-09-05 22:14
有限元分析

      列車輕量化是高速列車發展的重要條件,因而減輕機車車輛承載結構的質量即車體輕量化研究成為高速列車車體結構設計的一個重要方向。目前國內外實現車體輕量化的主要方式之一是采用鋁合金材料。在鋁合金車體結構設計中,車體主要承載部件(如底架、側墻、車頂、端墻等)一般采用大型中空截面擠壓型材,整車結構由這些型材焊接、鉚接或螺栓聯接而成。由于鋁合金焊接中存在焊接處母材強度降低、焊接缺陷、變形、殘余應力等問題,為了體現鋁合金和鋼材的各自優點,構成車體時需要采用兩種不同的金屬。在兩種不同金屬間進行焊接時,焊接難度大,焊接質量難以保證,因此鉚釘或螺栓聯接成為此處結構聯接的重要方式。
      在對該種車體進行靜強度有限元分析時,一方面對鉚釘或螺栓聯接結構細節的處理將會影響整車應力的分布;另一方面,如何對鉚釘或螺栓聯接結構本身進行強度校核也是整車強度分析的重要部分。本文將結合某高速列車鋁合金車體的靜強度計算分析,對鉚釘和螺栓聯接結構有限元模型的建立和強度校核進行闡述。
      高速列車車體主結構可分為底架、側墻、端墻、車頂、司機室等5部分。枕梁、端梁和司機室結構為了滿足強度和剛度及其它方面的要求,選用鋼材;車體其它結構由鋁合金的縱向擠壓型材和鋁板焊接、鉚接和螺栓聯接而成。結合該車體的結構特點與受力特征,并考慮到計算精度和效率,在有限元力學模型中,車內各設備通過計算其重心及安裝座位置,以質量單元形式加至各對應節點上,二系彈簧采用彈簧單元,前后從板座采用三維實體單元,其余全部采用板單元。半車模型共有187171個單元,181266個節點。
      由于枕梁、前后端梁和司機室結構為鋼制件,而底架側梁、側墻為鋁型材,目前,不同金屬材料之間的焊接主要采用爆發壓接法,但是在車體上還沒有應用實例。鉚接是通過工具連續錘擊或用壓縮機壓縮鉚釘桿端,使釘桿充滿錠孔并形成鉚成頭進行聯接;螺栓聯接通過采用標準緊固件,選擇合理的螺紋牙、螺栓頭、光桿和螺母的結構進行聯接。鉚釘和螺栓聯接的工藝特點決定了其適用于異性金屬以及焊接性能不良的金屬的聯接。鉚釘桿充滿釘孔,螺母和螺栓頭之間的壓力使得聯接處結構被約束的自由度相同,從而達到聯接的目的。鉚釘和螺栓聯接區別于焊接的地方就在于焊接通過焊縫使焊接的兩部分成為一體,特別是在鋁合金車體中,考慮到列車運行中氣密性和動力學性能的問題,焊接一般采用連續焊接。因此在有限元模型中,通常使得焊縫兩側結構完全聯接在一起。而鉚釘和螺栓聯接只是在鉚釘孔和螺栓孔處聯接結構的自由度相同,其余聯接區域是接觸關系。如果采用布爾操作,則人為提高了聯接剛度,影響了整車應力的分析,因此鉚釘和螺栓聯接區域需要另外的處理方法,即耦合和約束方程。
      耦合和約束方程是有限元中建立節點自由度之間特殊關系的技術。利用這些技術能進行單元做不到的自由度聯接。耦合技術迫使兩個或多個自由度取得相同但未知的值,耦合自由度集包含一個主自由度和一個或多個其它自由度。在計算過程中耦合只將主自由度保存在分析的矩陣方程里,而將耦合集內的其它自由度刪除,計算的主自由度值將分配到耦合集內所有其它自由度中去。約束方程提供了一種比簡單耦合更通用的聯系自由度值的方法,約束方程必須有如下形式。


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