車體強(qiáng)度仿真分析方法研究

孫權(quán)

摘 要：本文以某鋁合金車體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立其有限元模型，對(duì)車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)比不同單元類型和邊界條件下的計(jì)算結(jié)果，最后選取合適的模擬方式，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞： 城軌；動(dòng)車組；車體；強(qiáng)度

1 車體強(qiáng)度計(jì)算

車體靜強(qiáng)度計(jì)算中失衡抬車工況較為惡劣，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際偏差較大，仿真結(jié)果可信度低，故選取上述工況對(duì)其仿真方法進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比研究。如圖1.1所示，采用多層板材疊加的方式，來提高架車區(qū)域的承載能力。

由于在受壓情況下，兩板邊因焊接可視為一體，而板內(nèi)僅有面法向位移保持一致，其余兩向因板變形而具有各自的位移，因此在有限元建模處理時(shí)，該區(qū)域常采用CP耦合方程的方式來模擬上下板材的線性接觸關(guān)系，即兩板邊緣角焊縫約束三向平動(dòng)自由度CP單元，中間區(qū)域約束垂向自由度CP單元，該工況模擬當(dāng)轉(zhuǎn)向架抬車時(shí)，由于一處架車區(qū)故障抬高10mm導(dǎo)致失衡，對(duì)應(yīng)有限元模型在四處架車區(qū)給予固定約束， 其中一處垂向位移10mm；轉(zhuǎn)向架質(zhì)量通過施加集中力于其質(zhì)心處，并通過rbe2單元連接對(duì)應(yīng)車下吊掛點(diǎn)位，經(jīng)ANSYS計(jì)算得到應(yīng)力分布云圖，如圖1.2所示，最大應(yīng)力549MPa，遠(yuǎn)超鋁合金屈服強(qiáng)度，從直觀上看是由于鋁合金材料強(qiáng)度低或板材太薄導(dǎo)致，但從有限元基本理論分析可知，

雖然兩板件通過CP單元模擬線性接觸，但殼單元只有中性層一層節(jié)點(diǎn)，且單元只是在節(jié)點(diǎn)之間傳遞信息，應(yīng)力等結(jié)果均通過節(jié)點(diǎn)位移外推而來，因此即使在下板面施加位移約束，與之相連的殼單元也因與約束邊界相連而不產(chǎn)生應(yīng)力，其節(jié)點(diǎn)位移信息直接傳遞到上層節(jié)點(diǎn)，故在應(yīng)力圖中該區(qū)域?yàn)樗{(lán)色無應(yīng)力，下板完全失效。

2 模擬方法研究與改進(jìn)

通過上節(jié)分析可知，由于殼單元只有一層節(jié)點(diǎn)，在約束條件附近如果采用傳統(tǒng)的耦合方式模擬會(huì)造成板材失效，模擬結(jié)果較差，為了驗(yàn)證此結(jié)論，選取一簡(jiǎn)單的兩板邊焊算例，如圖2.1所示，兩板邊緣角焊連接，板下及兩側(cè)固定約束，整體垂向承載。

其中（a）圖采用傳統(tǒng)的耦合方式連接，（b）中結(jié)構(gòu)刪除小板，通過ANSYS計(jì)算兩種情況下應(yīng)力分布一致，可知耦合連接的小板完全失效，在結(jié)構(gòu)中等效于不存在，因此以往處理此類結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，對(duì)應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不僅沒有起到任何有效作用，還浪費(fèi)了大量的時(shí)間，工作效率低，模擬結(jié)果不準(zhǔn)確，因此可以考慮，在約束附近的板焊接直接采用局部加厚的建模方法，即在多層疊板的位置，給殼單元更大的厚度。

3 DMU車體局部改進(jìn)

根據(jù)第二節(jié)分析可知，失衡抬車工況應(yīng)力過大的原因，主要由于局部板厚加強(qiáng)不足和模擬方式有誤所致，為此將局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)如圖3.1a所示，在架車位附近和外側(cè)梁均加焊補(bǔ)板，焊接模擬用局部單元加厚的方式，對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖3.1b所示，應(yīng)力從549MPa降低為271MP，若仍用傳統(tǒng)的接觸耦合模擬方式，即使結(jié)構(gòu)改進(jìn)計(jì)算結(jié)果也不會(huì)有顯著變化，從而對(duì)設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生錯(cuò)誤的引導(dǎo)方向。

4 結(jié)論與建議

本文以車體為研究對(duì)象，分別采用兩種不同的模擬方式，計(jì)算失衡抬車工況應(yīng)力，經(jīng)對(duì)比分析得出結(jié)論如下：

（1）在約束區(qū)附近，采用傳統(tǒng)的接觸耦合模擬方式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大，而前處理階段需要為此對(duì)應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，不僅操作難度大、效率低，而且不具有實(shí)際效應(yīng)。

（2）對(duì)于板殼結(jié)構(gòu)而言，以面法向載荷或壓縮為主的工況，可以直接采用加厚的方式模擬；如果約束區(qū)存在板焊接，則必須采用該方式建模，并且需要擴(kuò)大加厚區(qū)。

（3）車下架車位通常應(yīng)采用局部加補(bǔ)焊板的方式，來提高其強(qiáng)度。

（4）對(duì)于車體強(qiáng)度計(jì)算，如空氣彈簧座、架車位和牽引梁等的多層板邊焊結(jié)構(gòu)，均可采用局部加厚的方式模擬，不僅效率高，操作簡(jiǎn)便，而且具有很好的準(zhǔn)確性，節(jié)省了大量的時(shí)間和成本。

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