高速動(dòng)車組車體承載部件精細(xì)計(jì)算方法研究

謝素明,盧小龍,王成強(qiáng)

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高速動(dòng)車組車體承載部件精細(xì)計(jì)算方法研究

謝素明1,盧小龍1,王成強(qiáng)2

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中國(guó)北車集團(tuán) 長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)

研究高速動(dòng)車組車體主要承載部件結(jié)構(gòu)與傳力特點(diǎn)，基于傳統(tǒng)子模型方法，提出一種高效進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的快速子模型方法.建立某自主研發(fā)的高速動(dòng)車組車體強(qiáng)度分析的整車一級(jí)薄殼單元模型和關(guān)鍵部件的二級(jí)實(shí)體子模型；在EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)中載荷工況的作用下，采用傳統(tǒng)子模型方法與快速子模型法分別對(duì)高速動(dòng)車組車體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，兩者計(jì)算結(jié)果誤差小于5%，并與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性.

動(dòng)車組車體；FEM；子模型

0 引言

根據(jù)世界鐵路發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，客運(yùn)高速已經(jīng)成為我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展方向.高速動(dòng)車組鋁合金車體采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)[1]，車頂、側(cè)墻、地板等大部件由中空擠壓型材通過自動(dòng)連續(xù)焊接互相連接，端墻、牽引梁端部等中小部件采用板梁結(jié)構(gòu).

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663-2010，車體主要承受垂向和縱向載荷，垂向載荷主要包括車輛自身重量和乘客重量，縱向載荷主要包括車體端部壓縮力和車鉤座區(qū)域的拉伸和壓縮力[2].

車體承受端部壓縮載荷時(shí)，端墻與底架之間的連接結(jié)構(gòu)為強(qiáng)度薄弱部位，如圖1所示.在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要增加鋁塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng).通常，補(bǔ)強(qiáng)的鋁塊結(jié)構(gòu)厚度與其聯(lián)接的鋁型材壁厚相差高達(dá)30 mm；車體車鉤座承受縱向拉伸和壓縮載荷時(shí)，通過與車鉤相連的關(guān)鍵部件牽引梁結(jié)構(gòu)將列車牽引制動(dòng)的縱向力傳遞至車身.牽引梁端部的擠壓板材與車體底架型材焊接在一起，板材邊緣厚度沿縱向漸變，厚度差達(dá)15 mm(參見圖1).

采用薄殼單元模擬上述部件時(shí)，可以獲得較為準(zhǔn)確的部件傳力特點(diǎn)，但不能獲得部件局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化梯度，尤其是位于應(yīng)力集中區(qū)域的傳力部件，計(jì)算結(jié)果誤差大，有時(shí)甚至是錯(cuò)誤的.例如：整備狀態(tài)車體在車鉤座拉伸與壓縮工況作用下，與底架型材聯(lián)接的牽引梁板材端部的邊緣部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與實(shí)際情況不符.

圖1 某動(dòng)車組車體部件結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)動(dòng)車組車體強(qiáng)度分析中出現(xiàn)的上述問題，在研究傳統(tǒng)子模型分析方法[3]的基礎(chǔ)上，提出快速子模型方法；將某動(dòng)車組車體牽引梁端部區(qū)域作為子模型區(qū)域，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，研究?jī)煞N子模型方法的計(jì)算精度.

1 快速子模型法

采用傳統(tǒng)子模型法對(duì)動(dòng)車組車體關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析時(shí)，首先需要先對(duì)車體關(guān)鍵部件進(jìn)行精細(xì)建模，同時(shí)需要調(diào)用整體模型的計(jì)算結(jié)果；并將整車計(jì)算結(jié)果中子模型邊界節(jié)點(diǎn)上的位移提取出來，再將這些節(jié)點(diǎn)位移作為位移約束條件連同子模型一起導(dǎo)入計(jì)算分析軟件ANSYS中，重新計(jì)算得到子模型區(qū)域的精確結(jié)果.如何在整體模型計(jì)算結(jié)果中提取子模型邊界節(jié)點(diǎn)上的位移(形成ZMX.cbdo文件)是傳統(tǒng)子模型法的難點(diǎn).圖2給出了利用傳統(tǒng)子模型法進(jìn)行動(dòng)車組車體強(qiáng)度有限元分析的計(jì)算流程.

傳統(tǒng)子模型法能夠很精確的計(jì)算出車體關(guān)鍵部件應(yīng)力，但當(dāng)針對(duì)車體子模型區(qū)域的關(guān)鍵部件進(jìn)行多個(gè)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選時(shí)，需要多次重復(fù)“提取子模型邊界節(jié)點(diǎn)上的位移”流程，這樣做顯然增大了仿真工作的工作量.

快速子模型法將提取出來的子模型邊界節(jié)點(diǎn)位移作為邊界節(jié)點(diǎn)位移約束導(dǎo)入到有限元模型中，與當(dāng)前工況重新組合，生成一個(gè)計(jì)算工況齊全、完全獨(dú)立的子模型計(jì)算模型.快速子模型方法提取子模型邊界位移文件的過程與傳統(tǒng)子模型法中的過程相同.新生成的子模型是一個(gè)計(jì)算位移邊界與計(jì)算載荷邊界全部完整的獨(dú)立計(jì)算模型，在后續(xù)針對(duì)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)過程中，不再需要整體模型的計(jì)算結(jié)果，不用多次提取子模型邊界位移文件，直接更新子模型結(jié)構(gòu)即可完成精細(xì)計(jì)算，工作效率大幅度提高.由于結(jié)構(gòu)修改及計(jì)算都是在子模型中進(jìn)行的，因此，最終確定的結(jié)構(gòu)方案還需映射到一級(jí)車體模型上進(jìn)行驗(yàn)證.

綜上所述，快速子模型法不僅具有傳統(tǒng)子模型的優(yōu)點(diǎn)，還具有計(jì)算步驟簡(jiǎn)便，計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn).

圖2 基于傳統(tǒng)子模型法的車體強(qiáng)度分析流程

2 工程實(shí)例

根據(jù)對(duì)多種車型動(dòng)車組車體強(qiáng)度的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)最為關(guān)注的載荷工況是車鉤座壓縮與拉伸載荷工況[5].在車鉤座拉伸與壓縮工況作用下，采用薄殼單元分析某自主研發(fā)的動(dòng)車組車體牽引梁板材與底架型材連接部位的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.由圖3可以看出：牽引梁板材邊緣部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中，實(shí)際上應(yīng)力集中應(yīng)該發(fā)生在底架型材上.因此，在這一區(qū)域應(yīng)該利用子模型方法建立二級(jí)實(shí)體模型.

圖3 整備狀態(tài)車體車鉤座工況的計(jì)算結(jié)果

動(dòng)車組車體一級(jí)有限元模型如圖4所示.車體一級(jí)模型中的單元類型為：shell 181、mass 21、rigid、rbe 3、solid 185.車體部件結(jié)構(gòu)主要離散為四節(jié)點(diǎn)薄殼單元shell1 81；吊掛設(shè)備質(zhì)量以及乘客質(zhì)量采用質(zhì)量單元mass 21來模擬；鑄鋁件離散為solid 185單元；rigid用于模擬部件連接關(guān)系；車體一級(jí)有限元模型的單元總數(shù)為2 238 710；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 069 272.部分底架型材和牽引梁板材連接部位的二級(jí)實(shí)體子模型的單元總數(shù)為430420；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為380 922.

圖4 車體一級(jí)和二級(jí)有限元模型

動(dòng)車組車體強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，選取了牽引梁板材端部與底架型材連接位置進(jìn)行貼片，E 24、E 25、E 26、E 27.車鉤座壓縮與拉伸載荷工況作用下，傳統(tǒng)子模型法和快速子模型法的計(jì)算結(jié)果，以及與測(cè)試值[6]的對(duì)比如圖5～圖9所示.

圖5 子模型區(qū)域強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的貼片位置

圖6 壓縮工況的計(jì)算結(jié)果

圖7 壓縮工況分析結(jié)果與測(cè)試值的對(duì)比

圖8 拉伸工況的計(jì)算結(jié)果

圖9 拉伸工況分析結(jié)果與測(cè)試值的對(duì)比

從圖6和圖8可以看出，兩種子模型分析方法的計(jì)算結(jié)果基本一致，相差在5%之內(nèi).從圖7和圖9可以看出，壓縮工況的快速子模型法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近；拉伸工況的傳統(tǒng)子模型法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值更為接近.

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)子模型法不同，當(dāng)子模型中的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，快速子模型法的切邊界結(jié)點(diǎn)位移只需要在一級(jí)整體模型計(jì)算結(jié)果中提取一次，可多次獨(dú)立分析二級(jí)子模型，從而使車體方案設(shè)計(jì)階段的工作效率大幅提高.但是，在最終修改方案確定之后，還需將結(jié)構(gòu)改進(jìn)部位映射到車體一級(jí)模型上進(jìn)行驗(yàn)證.

分析高速動(dòng)車組車體靜強(qiáng)度時(shí)，對(duì)于車體主要承載部件，如：牽引梁、車鉤座以及端墻與底架連接(部件厚度梯度變化較大)等部位，僅用薄殼單元?jiǎng)?chuàng)建模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況出入較大.必須對(duì)這些部位建立二級(jí)實(shí)體子模型.

[1]鄭文波，劉東軍，田新莉. 鋁合金型材在CRH3型動(dòng)車組車體中的應(yīng)用[J]. 金屬加工，2011，23：19-22.

[2]英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì).BS EN 12663-1:2010 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求(第一部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛)[S].英國(guó):[s.n.] ,2010.

[3]周宇．基于子模型的鐵路車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度精細(xì)計(jì)算[D]．大連：大連交通大學(xué)，2008.

[4]英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì).BS EN1999-1-1: 2007 Eurocode 9: Design of aluminium structures-Part 1-1: General structural rules[S]．英國(guó):[s.n.],2007.

[5]謝素明, 王思陽, 高陽. 高速動(dòng)車組鋁合金車體性能的深入研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014，35(6)：14-18.

[6]標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告[R]. 青島四方車輛研究所，2015.

Research on Refined Numerical Calculation Method of EMU Car Body Load-Carrying Component

XIE Suming1， LU Xiaolong1，WANG Chengqiang2

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China；2. Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130062, China)

An efficient numerical calculation method is proposed based on traditional sub-modeling method after studying structural and load-carrying feature of high-speed EMU car body. For a self-developed high-speed EMU car body, the first level FEM with shell elements and the second level FEM with solid elements are established respectively. According to EN12663-2010 standard, the results of the two sub-modeling methods are compared. It is shown that their maximum difference is within 5%, and they are coincident with the test results generally.

EMU; FEM; sub-model

1673- 9590(2016)02- 0010- 04

2015-03-18

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014J004-N)

謝素明(1965-)，女，教授，博士，從事車輛工程CAE關(guān)鍵技術(shù)的研究E- mail:sumingxie@163.com.

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