地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析
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都市快轨交通 ·第 20卷 第 5期 2007年 10月
学术探讨
地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析
周 伟
(中南大学 长沙 410075)
摘 要 简要介绍有限元强度计算和模态分析的相关 理论 ,应用有限元分析软件 ANSYS, 建立地铁动车不锈 钢车体结构的有限元分析模型 ,确定有限元模型的计算 载荷和评定标准 ,计算车体在给定工况下的静强度 , 以 及整备状态下的固有频率和振型 。结果表明 ,车体静强 度及刚度在各运用工况下都能满足相关标准要求 。 关键词 不锈钢车体 有限元 强度 模态
第三工况下车体最大应力为168462mpa发生在侧墙门立柱与底架边梁相交处顶结构最大应力点出现在车顶波纹板与平顶交界处底架波纹板最大应力点出现在牵引梁与波纹地板相交1各工况下不同结构处的应力水平mpa工况车顶底架波纹板耐候钢结构第一工况1841196843第二工况247169180124第三工况13316812290许用应力2822822821842第二工况下车体和耐候钢结构的应力分布48地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析urbanrapidrailtransit车体侧墙结构的加强横梁和压筋结构改善了侧墙蒙皮的纵向刚度和垂向刚度实现了更有效的承载和传载
4.3 变形和刚度分析
车体在垂向总 载作 用下 , 底架 下边 梁中 部垂 向挠
度 fc =5.873 mm, 两转向架中心距为 L2 =12 600 mm, fc <12.6 mm, 满足在最大垂向载荷作用下车体静挠度不
图 3 车体振型图
超过两转向架支撑点之间距离 1‰的要求 。
好地反映不锈钢 车体 的结 构特 点 , 是 车体 结构 强度分
表 1 各工况下不同结构处的应力水平 MPa
工况 第一工况 第二工况 第三工况 许用应力
车顶 184 247 133 282
侧墙 119 169 168 282
底架波纹板 耐候钢结构
68
43
180
124122Fra bibliotek90282
184
图 2 第二工况下车体和 耐候钢结构的应力分布
4 8 URBANRAPIDRAILTRANSIT
地 铁不锈钢车 体静强度 计算及模 态分析
车体侧墙结构的加强横梁和压筋结构改善了侧墙蒙 皮的纵向刚度和垂向刚度 , 实现了更有效的承载和传载 ;
车体纵向载荷主要由底架承受 , 枕内纵向力主要靠波纹地
板和底架边梁传递 ,由 结果可以看出整个底 架结构应力
分布比较均匀 , 有效地传递了纵向压缩和纵向拉伸载荷 。
[ 2] 鲁寨军 , 田 红旗 , 周 丹 .270 km·h-1高 速 动车 模态 分 析 [ J] .中国铁道科学 , 2005, 26(6):18 -19.
几何方程和物理方程可求出结构的应变和应力 。
2.2 模态计算方程
在动力学问 题中 , 无阻尼 多自 由度 离散 系统 的自
由振动方程为
M·X· +KX=0
(2)
式中 :M和 K分别为质量矩阵和刚度矩阵 。 通过对 {X}进行线性 代换 {X}={ }{Y}, 可得到
齐次不耦合方程的解及第 i个振动模态的频率 ωi。
定 , 并可依据 λi得到相应的振型 , 即特征向量 [ 2] 。
3 有限元计算模型
3.1 车体有限元模型的建立 考虑到车体结 构的 对称 性和 计算 规模 , 应用 全板
结构 建 立 1 /2 模 型 , 并 用 Shell63 单 元 进 行 离 散 。 Shell63 单元为 4节 点空 间四边 形单元 , 每个 节点 具有 6个自由度 , 沿节点 坐标 系 X、Y、 Z方向 的平 动和 绕节 点坐标系 X、Y、Z轴的转动 , Shell63单元既具有弯曲能 力又具有膜力 , 可以 承受平 面和 法向 载荷 。 按照 车体 实际尺寸给各面元赋予不同厚度实常 数并离散 位壳单 元 , 可以较准确地模拟车体实际结构 [ 3] 。
解器选择分块 Lanczos法 , 从 1 ～ 1 000 Hz中选取 10阶 参考文献
模态进行计算 。 经计算前六阶 的振 动频 率如 表 2所 示 , 各 阶 振型
图如图 3所示 。 表 2 车体自振频率及相应振型
[ 1] 南车四方机车车辆股份有限公司 .成都地铁 1号线一 期 工程地铁车辆招标文件 [ G] .青岛 , 2007.
又根据底架外伸 部分长 度 L1 =3 200 mm, 单 位长 度载荷 W=34.42 N/mm, 可得到相当弯曲刚度为
析的有效手段 。 (2)经有限 元静 强度 计算 , 车体 给在 各工 况下的
EJ=(WL22 (5 L22 -24L21 )/384)/fc =1.328 ×1015 N·mm2 EJ>1.3 ×109 N·m2 , 满足文献 [ 4] 的标准要求 。
随着城市轨道交通的快速发展及轨道车辆制造水平 的不断提高 ,不锈钢车体以其高强度质量比 、维护费用低 、 耐腐蚀性好 、外形美观 、使用寿命长 、安全性高等优点 , 得到 了越来越多的青睐 ,广泛应用于地铁车辆车体的制造 。
为检验车体设计的合理性 , 并为车体结构优化提供 可靠依据 , 必 须对 车体 结构 进行 静强 度计算 和模 态分 析 。近年来 , 随着计 算机 硬件水 平的不 断提 高 , 基于有 限元方法的大型限元分析软件得到了越来越多的应用 , 利用大型有限元分析软件进行车体结构的强度分析 , 一 定程度上取代了传统静强度试验的方法 , 大大节约了试 验成本 , 并且能够较好地与试验结果相吻 合 。本文针对 地铁车辆轻量化不锈钢车体 [ 1] , 利用大型有限元分析软 件 ANSYS建立动车车体的有限 元模型 , 进行有 限元静 强度计算和模态分 析 , 以 得到 车体 结构 在各 工况 下的 应力水平 、应力分布 、刚度 、自振频率及振型 。
3.2.1 垂向静载工况 车体自重 8.033 t, 车顶 和车底设 备重 量作为 垂向
集中载荷作用在相 应的 设备 安装 位置 , 乘客 及装 修质 量作为垂向均布载荷作用在波纹地板上 。
M车在超 员载 荷 下为 最 大载 客 情况 , 乘 客为 325 人 , 每人质量按 60 kg计算 , 共 19 500 kN, 均匀作 用在 波纹地板上 ;顶 部和 底部 设备 重量 21.9 kN作 用 在相 应位置 。对半车模型载荷值相应取半 。 3.2.2 纵向压缩工况
将齐次不耦合方程两端同时乘以 M-1 , 可得
I·Y· +DY=0
(3)
URBANRAPIDRAILTRANS IT 47
都市快轨交通 ·第 20卷 第 5期 2007年 10月
式中 :I为单位矩阵 。 依式 (3), 可得系统的特征方程为 D-λI=0 若 λi为特征 值 , 则 系统 的 固有 频 率由 λi=ω2i决
图 1 车体有限元分析模型及侧墙板上压筋和加强横梁
2 控制方程
2.1 有限元求解方程
根据虚功原理 , 建立整个系统 的能量守 恒方程 , 再
根据最小位能原理 , 从而得到有限元求解方程为
Ka=P
(1)
式中 :K为结构的总体 刚度矩 阵 , a为节点 位移 列阵 , P
为节点载荷列阵 。
引入位移和载荷边界条件 , 对式 (1)形成的大型方 程组求解 , 即可求出结构节点位移 , 进而通过 弹性力学
5 车体的模态分析
为避免车体自振频率与转向架固有 频率过 于接近 而产生共振 , 造 成轮 轨 间作 用 力 剧增 , 降 低 乘 坐舒 适 性 , 危及行车安全 , 需对车体进行模态分析 [ 5] 。
取整车结构建立力学模型做整备状 态下的 无约束 模态分 析 , 设 备质 量以 MASS21 单 元的形 式加 在 相应 部位 , 结 构离 散 后共 有 233 212 个 节点 , 250 284 个 单 元 , 其中壳单元 250 096 个 , 质量 单元 188 个 。模 态求
1 车体结构特点
动 车 车 体 长 度 19 000 mm, 车 体 最 大 宽 度 3 300 mm, 车体自重 8.033 t, 转向架 重量 13.46 t, 轴重 12.9 t, 转向架轴距 12 600 mm。
车 体 结 构采用薄壁筒 型 整 体 承载结构 (如图 1所 示 ), 由底架 、侧墙 、端 墙和 车顶 构成 。 其中 , 底架 由牵 引梁 、缓冲梁 、端 部 横 梁 、中 部 横 梁 、边 梁 和 连 接板 组 成 , 在枕梁和牵引梁处均加有补强板 ;侧 墙 由侧墙立柱 、
取纵向压缩力为 800 kN, 对 1 /2 模型取 400 kN, 通 过车钩牵引装置作用在车体上 。 3.2.3 纵向拉伸工况
取纵向压缩力为 640 kN, 对 1 /2 模型取 320 kN, 通 过车钩牵引装置作用在车体上 。
这里主 要以垂 向静 载 、垂向 总载 +纵向 压缩 和垂 向总载 +纵向拉伸 3 个 工况 作为 第一 、第二 和第 三工 况来进行计算和考核 。
收稿日期 :2007-06 -05 修回日期 :2007 -06-18
作者简介 :周伟 , 男 , 轨道交通安全教育部重点 实验室 , 硕士 研究生 , zhouwei0 00@12
侧墙横梁 、侧墙 下边 梁 、加 强横 梁和 连接 板组成 , 大量 采用帽型型材和 箱型 型材 , 不锈 钢车 体侧 墙骨 架主要 采用立体接头连 接 , 侧 墙车 窗采 用单 元组 合式 整体车 窗 ;端墙主要由 端墙 立柱 、端墙 横梁 、补强 板和 连接板 组成 ;车顶主要由车顶边梁 、车顶 横梁 、平顶 纵 、横梁等 组成 , 其中车顶 弯曲 横梁 采用 乙型 型材 , 平顶纵 、横梁 采用帽型 型 材 。车 顶和 底 架 采用 波 纹 地板 以 增 加刚 度 , 以便能更加有效地承受和传递载荷 。
4 车体结构有限元静强度分析
4.1 有限元静强度计算 建立三个载荷步 , 分别施加垂向静 载 、纵向 压缩和
纵向拉伸载荷及 相应 的边 界约 束 , 对 三个 载荷 步进行 求解 , 求解完通过工况叠加来查看 车体在第 一工况 、第 二工况和第三工况下车体结构应力水平和应力分布 。
本计算所有 应力 结果 采用当 量应 力 , 此 应力 不得 超过许用应力 。参照文 献 [ 4 ] , 不锈 钢 ST屈服 强度为 412 MPa, 许用 应 力 282 MPa;耐 候 钢 屈 服强 度 为 294 MPa,许用应力为 184 MPa。
当量应力的计算公式为 σe=SQRT(0.5((σ1 -σ2 )2 +(σ2 -σ3 )2 +(σ3 -σ1 )2 )) 式中 , σe为当量应力 /MPa, σi为主应 力 /MPa, SQRT表 示对表达式开平方根 。 4.2 静强度计算结果
各工况下车体 车顶结 构 、侧墙结构 、底 架波纹板 和 耐候钢结构的应力水平如表 1所示 。其中第一工况下车 体最大应力为 184.169 MPa, 出现 在车顶波 纹板与平 顶 交界处 , 侧墙结构的最大应力点出现在门立柱与 窗顶横 梁的交接处 ,底架波纹板最大应力点出现在波纹 地板与 牵引梁交界处 , 耐候钢结构最大应力点出现在枕 梁与牵 引梁交 接 处 ;第 二 工 况 下 , 车 体 最 大 应 力 为 247.104 MPa, 发生在车顶波纹板与平顶交界处 , 侧墙结构的最大 应力点出现在一 位端第二个门立 柱与门底 下横 梁交接 处 , 底架波纹地板 最大 应力 点出 现在 靠枕 梁第 一根弯 曲横 梁 位 置 , 耐 候 钢 结 构 最 大 应 力 点 出 现 在 枕 梁与 边 梁 交 接 处 (见图 2);第 三 工 况 下 , 车 体最 大 应 力为 168.462 MPa, 发生在侧墙门立柱与底架边梁相交处 , 车 顶结构最大应力 点出 现在 车顶 波纹 板 与平 顶交 界 处 , 底架波纹板最大应力 点 出 现在牵引梁与波纹地板相交 处 , 耐候钢结构最大应力点发生在车钩牵引装置处 。
应力水平都小于 相应 结构 对应 的许 用应 力 , 且 其垂向 刚度变形在 允许 范 围内 , 强度 和 刚度 满足 文献 [ 4]的 要求 。
(3)经模态 计算 , 该车 体整 备状 态下 自振 的一阶 垂向弯曲振动频率为不低于 10 Hz, 避开 了转向架的点 头频率 , 满足要求 。
(4)数值仿 真分 析结 果表 明 , 在 满足 强度 和刚度 要求的基础上 , 车体结构应力分布 均匀 , 充分 发挥了不 锈钢车体的材料特性 , 并实现了车 体重量的 轻量化 , 结 构设计准确合理 。
对 1/2模型对称面上的节点设置对称约束 ,对心盘 、 旁承承载可通过 APDL语言在心 盘 、旁承处创 建 beam4 单元组来进行模拟 ,单元组公共节点设置 垂向约束 。网 格划分后最终得到 119 929个节点 , 127 674个单元 ,其中 Shell63单元数为 126 534个 , beam4单元数为 1 140个 。 3.2 载荷工况的确定
学术探讨
地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析
周 伟
(中南大学 长沙 410075)
摘 要 简要介绍有限元强度计算和模态分析的相关 理论 ,应用有限元分析软件 ANSYS, 建立地铁动车不锈 钢车体结构的有限元分析模型 ,确定有限元模型的计算 载荷和评定标准 ,计算车体在给定工况下的静强度 , 以 及整备状态下的固有频率和振型 。结果表明 ,车体静强 度及刚度在各运用工况下都能满足相关标准要求 。 关键词 不锈钢车体 有限元 强度 模态
第三工况下车体最大应力为168462mpa发生在侧墙门立柱与底架边梁相交处顶结构最大应力点出现在车顶波纹板与平顶交界处底架波纹板最大应力点出现在牵引梁与波纹地板相交1各工况下不同结构处的应力水平mpa工况车顶底架波纹板耐候钢结构第一工况1841196843第二工况247169180124第三工况13316812290许用应力2822822821842第二工况下车体和耐候钢结构的应力分布48地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析urbanrapidrailtransit车体侧墙结构的加强横梁和压筋结构改善了侧墙蒙皮的纵向刚度和垂向刚度实现了更有效的承载和传载
4.3 变形和刚度分析
车体在垂向总 载作 用下 , 底架 下边 梁中 部垂 向挠
度 fc =5.873 mm, 两转向架中心距为 L2 =12 600 mm, fc <12.6 mm, 满足在最大垂向载荷作用下车体静挠度不
图 3 车体振型图
超过两转向架支撑点之间距离 1‰的要求 。
好地反映不锈钢 车体 的结 构特 点 , 是 车体 结构 强度分
表 1 各工况下不同结构处的应力水平 MPa
工况 第一工况 第二工况 第三工况 许用应力
车顶 184 247 133 282
侧墙 119 169 168 282
底架波纹板 耐候钢结构
68
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124122Fra bibliotek90282
184
图 2 第二工况下车体和 耐候钢结构的应力分布
4 8 URBANRAPIDRAILTRANSIT
地 铁不锈钢车 体静强度 计算及模 态分析
车体侧墙结构的加强横梁和压筋结构改善了侧墙蒙 皮的纵向刚度和垂向刚度 , 实现了更有效的承载和传载 ;
车体纵向载荷主要由底架承受 , 枕内纵向力主要靠波纹地
板和底架边梁传递 ,由 结果可以看出整个底 架结构应力
分布比较均匀 , 有效地传递了纵向压缩和纵向拉伸载荷 。
[ 2] 鲁寨军 , 田 红旗 , 周 丹 .270 km·h-1高 速 动车 模态 分 析 [ J] .中国铁道科学 , 2005, 26(6):18 -19.
几何方程和物理方程可求出结构的应变和应力 。
2.2 模态计算方程
在动力学问 题中 , 无阻尼 多自 由度 离散 系统 的自
由振动方程为
M·X· +KX=0
(2)
式中 :M和 K分别为质量矩阵和刚度矩阵 。 通过对 {X}进行线性 代换 {X}={ }{Y}, 可得到
齐次不耦合方程的解及第 i个振动模态的频率 ωi。
定 , 并可依据 λi得到相应的振型 , 即特征向量 [ 2] 。
3 有限元计算模型
3.1 车体有限元模型的建立 考虑到车体结 构的 对称 性和 计算 规模 , 应用 全板
结构 建 立 1 /2 模 型 , 并 用 Shell63 单 元 进 行 离 散 。 Shell63 单元为 4节 点空 间四边 形单元 , 每个 节点 具有 6个自由度 , 沿节点 坐标 系 X、Y、 Z方向 的平 动和 绕节 点坐标系 X、Y、Z轴的转动 , Shell63单元既具有弯曲能 力又具有膜力 , 可以 承受平 面和 法向 载荷 。 按照 车体 实际尺寸给各面元赋予不同厚度实常 数并离散 位壳单 元 , 可以较准确地模拟车体实际结构 [ 3] 。
解器选择分块 Lanczos法 , 从 1 ～ 1 000 Hz中选取 10阶 参考文献
模态进行计算 。 经计算前六阶 的振 动频 率如 表 2所 示 , 各 阶 振型
图如图 3所示 。 表 2 车体自振频率及相应振型
[ 1] 南车四方机车车辆股份有限公司 .成都地铁 1号线一 期 工程地铁车辆招标文件 [ G] .青岛 , 2007.
又根据底架外伸 部分长 度 L1 =3 200 mm, 单 位长 度载荷 W=34.42 N/mm, 可得到相当弯曲刚度为
析的有效手段 。 (2)经有限 元静 强度 计算 , 车体 给在 各工 况下的
EJ=(WL22 (5 L22 -24L21 )/384)/fc =1.328 ×1015 N·mm2 EJ>1.3 ×109 N·m2 , 满足文献 [ 4] 的标准要求 。
随着城市轨道交通的快速发展及轨道车辆制造水平 的不断提高 ,不锈钢车体以其高强度质量比 、维护费用低 、 耐腐蚀性好 、外形美观 、使用寿命长 、安全性高等优点 , 得到 了越来越多的青睐 ,广泛应用于地铁车辆车体的制造 。
为检验车体设计的合理性 , 并为车体结构优化提供 可靠依据 , 必 须对 车体 结构 进行 静强 度计算 和模 态分 析 。近年来 , 随着计 算机 硬件水 平的不 断提 高 , 基于有 限元方法的大型限元分析软件得到了越来越多的应用 , 利用大型有限元分析软件进行车体结构的强度分析 , 一 定程度上取代了传统静强度试验的方法 , 大大节约了试 验成本 , 并且能够较好地与试验结果相吻 合 。本文针对 地铁车辆轻量化不锈钢车体 [ 1] , 利用大型有限元分析软 件 ANSYS建立动车车体的有限 元模型 , 进行有 限元静 强度计算和模态分 析 , 以 得到 车体 结构 在各 工况 下的 应力水平 、应力分布 、刚度 、自振频率及振型 。
3.2.1 垂向静载工况 车体自重 8.033 t, 车顶 和车底设 备重 量作为 垂向
集中载荷作用在相 应的 设备 安装 位置 , 乘客 及装 修质 量作为垂向均布载荷作用在波纹地板上 。
M车在超 员载 荷 下为 最 大载 客 情况 , 乘 客为 325 人 , 每人质量按 60 kg计算 , 共 19 500 kN, 均匀作 用在 波纹地板上 ;顶 部和 底部 设备 重量 21.9 kN作 用 在相 应位置 。对半车模型载荷值相应取半 。 3.2.2 纵向压缩工况
将齐次不耦合方程两端同时乘以 M-1 , 可得
I·Y· +DY=0
(3)
URBANRAPIDRAILTRANS IT 47
都市快轨交通 ·第 20卷 第 5期 2007年 10月
式中 :I为单位矩阵 。 依式 (3), 可得系统的特征方程为 D-λI=0 若 λi为特征 值 , 则 系统 的 固有 频 率由 λi=ω2i决
图 1 车体有限元分析模型及侧墙板上压筋和加强横梁
2 控制方程
2.1 有限元求解方程
根据虚功原理 , 建立整个系统 的能量守 恒方程 , 再
根据最小位能原理 , 从而得到有限元求解方程为
Ka=P
(1)
式中 :K为结构的总体 刚度矩 阵 , a为节点 位移 列阵 , P
为节点载荷列阵 。
引入位移和载荷边界条件 , 对式 (1)形成的大型方 程组求解 , 即可求出结构节点位移 , 进而通过 弹性力学
5 车体的模态分析
为避免车体自振频率与转向架固有 频率过 于接近 而产生共振 , 造 成轮 轨 间作 用 力 剧增 , 降 低 乘 坐舒 适 性 , 危及行车安全 , 需对车体进行模态分析 [ 5] 。
取整车结构建立力学模型做整备状 态下的 无约束 模态分 析 , 设 备质 量以 MASS21 单 元的形 式加 在 相应 部位 , 结 构离 散 后共 有 233 212 个 节点 , 250 284 个 单 元 , 其中壳单元 250 096 个 , 质量 单元 188 个 。模 态求
1 车体结构特点
动 车 车 体 长 度 19 000 mm, 车 体 最 大 宽 度 3 300 mm, 车体自重 8.033 t, 转向架 重量 13.46 t, 轴重 12.9 t, 转向架轴距 12 600 mm。
车 体 结 构采用薄壁筒 型 整 体 承载结构 (如图 1所 示 ), 由底架 、侧墙 、端 墙和 车顶 构成 。 其中 , 底架 由牵 引梁 、缓冲梁 、端 部 横 梁 、中 部 横 梁 、边 梁 和 连 接板 组 成 , 在枕梁和牵引梁处均加有补强板 ;侧 墙 由侧墙立柱 、
取纵向压缩力为 800 kN, 对 1 /2 模型取 400 kN, 通 过车钩牵引装置作用在车体上 。 3.2.3 纵向拉伸工况
取纵向压缩力为 640 kN, 对 1 /2 模型取 320 kN, 通 过车钩牵引装置作用在车体上 。
这里主 要以垂 向静 载 、垂向 总载 +纵向 压缩 和垂 向总载 +纵向拉伸 3 个 工况 作为 第一 、第二 和第 三工 况来进行计算和考核 。
收稿日期 :2007-06 -05 修回日期 :2007 -06-18
作者简介 :周伟 , 男 , 轨道交通安全教育部重点 实验室 , 硕士 研究生 , zhouwei0 00@12
侧墙横梁 、侧墙 下边 梁 、加 强横 梁和 连接 板组成 , 大量 采用帽型型材和 箱型 型材 , 不锈 钢车 体侧 墙骨 架主要 采用立体接头连 接 , 侧 墙车 窗采 用单 元组 合式 整体车 窗 ;端墙主要由 端墙 立柱 、端墙 横梁 、补强 板和 连接板 组成 ;车顶主要由车顶边梁 、车顶 横梁 、平顶 纵 、横梁等 组成 , 其中车顶 弯曲 横梁 采用 乙型 型材 , 平顶纵 、横梁 采用帽型 型 材 。车 顶和 底 架 采用 波 纹 地板 以 增 加刚 度 , 以便能更加有效地承受和传递载荷 。
4 车体结构有限元静强度分析
4.1 有限元静强度计算 建立三个载荷步 , 分别施加垂向静 载 、纵向 压缩和
纵向拉伸载荷及 相应 的边 界约 束 , 对 三个 载荷 步进行 求解 , 求解完通过工况叠加来查看 车体在第 一工况 、第 二工况和第三工况下车体结构应力水平和应力分布 。
本计算所有 应力 结果 采用当 量应 力 , 此 应力 不得 超过许用应力 。参照文 献 [ 4 ] , 不锈 钢 ST屈服 强度为 412 MPa, 许用 应 力 282 MPa;耐 候 钢 屈 服强 度 为 294 MPa,许用应力为 184 MPa。
当量应力的计算公式为 σe=SQRT(0.5((σ1 -σ2 )2 +(σ2 -σ3 )2 +(σ3 -σ1 )2 )) 式中 , σe为当量应力 /MPa, σi为主应 力 /MPa, SQRT表 示对表达式开平方根 。 4.2 静强度计算结果
各工况下车体 车顶结 构 、侧墙结构 、底 架波纹板 和 耐候钢结构的应力水平如表 1所示 。其中第一工况下车 体最大应力为 184.169 MPa, 出现 在车顶波 纹板与平 顶 交界处 , 侧墙结构的最大应力点出现在门立柱与 窗顶横 梁的交接处 ,底架波纹板最大应力点出现在波纹 地板与 牵引梁交界处 , 耐候钢结构最大应力点出现在枕 梁与牵 引梁交 接 处 ;第 二 工 况 下 , 车 体 最 大 应 力 为 247.104 MPa, 发生在车顶波纹板与平顶交界处 , 侧墙结构的最大 应力点出现在一 位端第二个门立 柱与门底 下横 梁交接 处 , 底架波纹地板 最大 应力 点出 现在 靠枕 梁第 一根弯 曲横 梁 位 置 , 耐 候 钢 结 构 最 大 应 力 点 出 现 在 枕 梁与 边 梁 交 接 处 (见图 2);第 三 工 况 下 , 车 体最 大 应 力为 168.462 MPa, 发生在侧墙门立柱与底架边梁相交处 , 车 顶结构最大应力 点出 现在 车顶 波纹 板 与平 顶交 界 处 , 底架波纹板最大应力 点 出 现在牵引梁与波纹地板相交 处 , 耐候钢结构最大应力点发生在车钩牵引装置处 。
应力水平都小于 相应 结构 对应 的许 用应 力 , 且 其垂向 刚度变形在 允许 范 围内 , 强度 和 刚度 满足 文献 [ 4]的 要求 。
(3)经模态 计算 , 该车 体整 备状 态下 自振 的一阶 垂向弯曲振动频率为不低于 10 Hz, 避开 了转向架的点 头频率 , 满足要求 。
(4)数值仿 真分 析结 果表 明 , 在 满足 强度 和刚度 要求的基础上 , 车体结构应力分布 均匀 , 充分 发挥了不 锈钢车体的材料特性 , 并实现了车 体重量的 轻量化 , 结 构设计准确合理 。
对 1/2模型对称面上的节点设置对称约束 ,对心盘 、 旁承承载可通过 APDL语言在心 盘 、旁承处创 建 beam4 单元组来进行模拟 ,单元组公共节点设置 垂向约束 。网 格划分后最终得到 119 929个节点 , 127 674个单元 ,其中 Shell63单元数为 126 534个 , beam4单元数为 1 140个 。 3.2 载荷工况的确定