铁道车辆焊接结构流程化分析方法研究

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计算机辅助工程(CAE)已经在铁道车辆行业中应用广泛,传统人工CAE分析存在众多弊端,主要体现为重复操作多和经验性要求高。分析人员每次进行有限元分析时都需要消耗大量时间来构建分析模型,并且不同分析人员对于模型的简化和网格处理方式不同会最终导致分析结果存在较大的差异性。因此,建立一个针对铁道车辆行业的标准化、流程化分析系统具有重要的工程实践意义。本文系统地对现有国内外铁道车辆行业常用焊接结构强度评估、车体载荷设计和螺栓连接计算等标准进行介绍,指出各标准间的异同点。重点针对DVS1612、EN12663-1和VDI2230-1标准进行分析,并进一步阐述其应用流程。为了减少重复性操作、提高分析效率、固化分析经验,本文对Hyper Mesh软件、Tcl/Tk语言、有限元软件二次开发技术和SQLite数据库等进行研究,设计基于ANSYS求解器的CAE流程化分析系统。通过分析铁道车辆车体结构的特点,提出通过比较车体板材外表面面积的方法对车体板材进行厚度识别,并采用正则表达式对组件进行标准化重命名;采用QI函数评估模型网格质量,提出单元节点位置优化法和单元形状重划分法两种网格质量优化算法;分析和对比不同螺栓有限元建模方式的特点,采用以梁单元模拟螺栓、实体单元模拟被连接件建立螺栓模型;研究车体焊接结构焊缝位置特点,提出焊缝位置识别算法,通过系统内置函数判断焊缝类型,采用解析几何法识别焊缝方向,建立焊缝节点局部坐标系,基于EN15085-3标准创建焊接接头数据库,对焊缝进行等级分类;以EN12663-1标准为基础,借助SQLite建立车体静强度、疲劳强度载荷工况数据库,实现对车体载荷工况关键数据的存储、管理和调用;利用Tcl/Tk语言编写Bat批处理文件从外部调用ANSYS求解器进行求解,基于APDL语言读取模型和螺栓有限元计算结果,结合焊接接头数据库信息将焊缝区域整体坐标系下节点应力转换为局部坐标系下节点应力,计算母材和焊缝区域节点的材料疲劳利用度,最终输出模型疲劳强度评估的材料利用度计算结果文件;基于Tcl/Tk语言开发单螺栓连接参数化分析系统,利用HWTK编写交互式界面,通过输入螺栓有限元计算结果和螺栓连接件基本参数对螺栓进行静强度和疲劳强度分析。通过运用所开发和设计的流程化分析系统对某电力机车进行静强度、疲劳强度分析,并与传统分析所消耗时间进行对比,验证了所设计和开发的流程化分析系统的有效性、可靠性和高效性,具有较高的工程实用价值。
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