论文部分内容阅读
摘 要：本文主要介绍了CRH3铝合金车体的结构特点，通过静强度计算和静强度试验，验证了CRH3铝合金车体能够满足EN12663车体结构及要求，从而保证了CRH3铝合金车体的安全性、可靠性和舒适性。
关键词：铝合金车体；结构；强度
一、概述
铝合金车体经过了近50年的发展，先后经历了板梁结构铝合金车体、板梁和型材混合结构铝合金车体、筒型大型中空铝型材结构铝合金车体3个阶段发展过程。CRH3高速动车组的车体承载结构采用车体全长的大型中空铝合金型材组焊而成，为筒型整体承载结构。本文对车体进行强度分析，通过静强度计算和试验，验证了CRH3铝合金车体能够满足EN12663车体结构及要求。
二、铝合金车体介绍
车体采用铝合金车体，由13种铝合金挤压型材纵向焊接而成一个整体承载筒形结构。提供所需的承载功能，包括自重、载重和整备载荷。所用的铝合金型材为6xxx和5xxx系列轻型铝合金，符合EN 573、EN 755和EN485系列标准。铝合金材料需具有强度高、焊接性好、挤压加工性能好等特性。车体结构的设计使用寿命为20年。
车体是由底架、侧墙、车顶、端墙组成为一个整体，对于头车还设有司机室。
由于变压器车（TC02/07）与其它车相比，重量最大，且变压器用螺栓吊装在车体的底架边梁下，吊装部件重量最大；在其它方面，TC02/07 与中间车具有相同性（高顶、端门、空调单元的开口、底架前端等）。平顶是最大平顶，附件最多，因此本文选取TC02车为具体分析对象，依据EN 12663标准，利用I-DEAS软件对铝合金车体进行分析，对其在各种工况下车体的强度进行分析计算，绘制车体结构的变形图，进行应力分析，确定高应力区所在位置。对铝合金车体进行有限元分析为车体结构改进及后续的优化将提供可靠的依据，进行振动模态分析，并通过静强度试验来验证强度计算和车体结构的设计合理性。
三、车体静强度和模态计算
1材料和许用应力
材料静强度值必须低于材料的屈服极限，或者在应力集中区域在载荷撤离后不发生塑性变形。
2计算模型
2.1模型处理
计算采用I-DEAS软件。模型处理的关键是铝合金型材的建模技术，采用实体单元则计算容量太大，可行的对策是将其全部离散成薄壳单元，同时采用刚度等效原理来处理不同型材的搭接和嵌入。 由于该车结构沿纵向基本对称，所受载荷除顶车工况外都为对称或反对称，故在强度计算时采用半车模型，而在顶车工况和模态计算时采用整车模型。最后半车模型共划分为105489个壳单元、83260个结点。
2.2计算载荷工况
本次计算中工况如下：
1）垂直静载工况： FZ=1.0 x g x （m1 + m4）；2）最大垂向载荷： FZ =1.3 x g x （m1 + m2）
3）车体一位端起吊：FZ =1.1 x g x （m1 + m3）；4）车体二位端起吊：FZ =1.1 x g x （m1 + m3）
5）车体两端起吊： FZ =1.1 x g x （m1 + 2m3）；6）车钩拉伸工况：FX =1000kN
7）车钩压缩工况：FX =1500kN；8）地板面上方150 mm压缩工况：FX =400KN，车钩位置施加约束
9）车窗框处压缩工况：FX = 300KN，车钩位置施加约束；10）车顶边梁水平高度处压缩工况：FX = 300KN，车钩位置施加约束；11）地板面上方150 mm压缩工况：FX =400KN
12）车窗框处压缩工况：FX = 300KN；13）车顶边梁水平高度处压缩工况：FX = 300KN
14）扭转工况；15）顶车（三点支撑）工况；16）超常空气动力学压力工况
17）1500 kN压缩与垂直静载合成工况；18）1000 kN拉伸与垂直静载合成工况
19）空气动力学压力与与垂直静载合成工况
3计算结果及分析
3.1模态结果
TC02车体模态频率和振型
4.结论
车体在纵向拉伸和压缩载荷作用时，底架前端相当于牵引梁的作用，此时前端下部盖板局部开孔的部位应力较大，侧门门角应力也较高。载荷通过连接型材传至地板后，整个地板受力均匀且应力水平较低，这说明底架前端能够将力均匀的传到底架上，避免了傳统牵、枕、缓结构的应力集中区域。
车体一阶垂向弯曲频率为18.48Hz，根据有关资料，整备状态后车体弯曲振动频率会降低30%左右，由此本车整备后一阶垂向弯曲振动频率约为12.9 Hz，能满足车体最低弯曲振动频率大于10 Hz动态设计准则的要求。
根据静强度计算结果，应力较高的部位在静强度试验中重点测量。
四、车体静强度试验验证
1试验结果
在2008年2月到5月对铝合金车体进行了车体强度试验，通过试验验证了计算模型的准确性。
根据静强度计算的结果进行静强度试验的应变片贴片，共贴应变片120处，其中底架37处，侧墙4处，端墙1处，车顶10处，门口20处，窗口48处。考虑到静强度计算得到的门角、窗角和前端应力较高，因此在这几个部位重点测试。
根据试验结果，所有测点的应力均小于所用材料的许用应力。但二位端下门角、门上角和二位端底架开口处等部位应力接近上限。这些测点的应力情况与静强度计算相符。
五、结论
本文以CRH3高速动车组TC02车铝合金车体为研究对象，采用大型的有限元分析软件I-DEAS进行了车体结构的应力分析、变形分析、模态分析，在此基础上结合静强度试验对其进行验证。试验结果表明，CRH3型动车组TC02车车体结构的强度满足EN12663《铁路应用——铁路车辆车体结构要求》的要求。也说明了我们的计算方法是正确的，试验方法是可靠的。
在各种载荷工况条件下，车体静强度小于许用应力，而且车体整体的强度储备是很大的，也验证了车体结构的设计是合理的，从而保证了列车运行是安全的。
但是，也存在着局部应力较高的部位，发生在窗口及门角，局部应力集中最高处在二位端下门角、上门角和二位端底架开口处，这些也应给予充分注意。
参考文献
[1] 机械设计手册 机械工业出版社 2004.
[2] 王勖成 邵敏 有限单元法基本原理和数值方法 北京：清华大学出版社 2000.
[3] EN 12663《铁路应用——铁路车辆车体结构要求》.
[4] UIC 566：1990 《客车车体及其构件的载荷》.
[5] EN 755-2：2008 铝及铝合金-挤压型材 第二部分：机械性能.
[6] EN 485-2：2004 铝及铝合金-薄板、钢带及钢板 第2部分：机械性能.
关键词：铝合金车体；结构；强度
一、概述
铝合金车体经过了近50年的发展，先后经历了板梁结构铝合金车体、板梁和型材混合结构铝合金车体、筒型大型中空铝型材结构铝合金车体3个阶段发展过程。CRH3高速动车组的车体承载结构采用车体全长的大型中空铝合金型材组焊而成，为筒型整体承载结构。本文对车体进行强度分析，通过静强度计算和试验，验证了CRH3铝合金车体能够满足EN12663车体结构及要求。
二、铝合金车体介绍
车体采用铝合金车体，由13种铝合金挤压型材纵向焊接而成一个整体承载筒形结构。提供所需的承载功能，包括自重、载重和整备载荷。所用的铝合金型材为6xxx和5xxx系列轻型铝合金，符合EN 573、EN 755和EN485系列标准。铝合金材料需具有强度高、焊接性好、挤压加工性能好等特性。车体结构的设计使用寿命为20年。
车体是由底架、侧墙、车顶、端墙组成为一个整体，对于头车还设有司机室。
由于变压器车（TC02/07）与其它车相比，重量最大，且变压器用螺栓吊装在车体的底架边梁下，吊装部件重量最大；在其它方面，TC02/07 与中间车具有相同性（高顶、端门、空调单元的开口、底架前端等）。平顶是最大平顶，附件最多，因此本文选取TC02车为具体分析对象，依据EN 12663标准，利用I-DEAS软件对铝合金车体进行分析，对其在各种工况下车体的强度进行分析计算，绘制车体结构的变形图，进行应力分析，确定高应力区所在位置。对铝合金车体进行有限元分析为车体结构改进及后续的优化将提供可靠的依据，进行振动模态分析，并通过静强度试验来验证强度计算和车体结构的设计合理性。
三、车体静强度和模态计算
1材料和许用应力
材料静强度值必须低于材料的屈服极限，或者在应力集中区域在载荷撤离后不发生塑性变形。
2计算模型
2.1模型处理
计算采用I-DEAS软件。模型处理的关键是铝合金型材的建模技术，采用实体单元则计算容量太大，可行的对策是将其全部离散成薄壳单元，同时采用刚度等效原理来处理不同型材的搭接和嵌入。 由于该车结构沿纵向基本对称，所受载荷除顶车工况外都为对称或反对称，故在强度计算时采用半车模型，而在顶车工况和模态计算时采用整车模型。最后半车模型共划分为105489个壳单元、83260个结点。
2.2计算载荷工况
本次计算中工况如下：
1）垂直静载工况： FZ=1.0 x g x （m1 + m4）；2）最大垂向载荷： FZ =1.3 x g x （m1 + m2）
3）车体一位端起吊：FZ =1.1 x g x （m1 + m3）；4）车体二位端起吊：FZ =1.1 x g x （m1 + m3）
5）车体两端起吊： FZ =1.1 x g x （m1 + 2m3）；6）车钩拉伸工况：FX =1000kN
7）车钩压缩工况：FX =1500kN；8）地板面上方150 mm压缩工况：FX =400KN，车钩位置施加约束
9）车窗框处压缩工况：FX = 300KN，车钩位置施加约束；10）车顶边梁水平高度处压缩工况：FX = 300KN，车钩位置施加约束；11）地板面上方150 mm压缩工况：FX =400KN
12）车窗框处压缩工况：FX = 300KN；13）车顶边梁水平高度处压缩工况：FX = 300KN
14）扭转工况；15）顶车（三点支撑）工况；16）超常空气动力学压力工况
17）1500 kN压缩与垂直静载合成工况；18）1000 kN拉伸与垂直静载合成工况
19）空气动力学压力与与垂直静载合成工况
3计算结果及分析
3.1模态结果
TC02车体模态频率和振型
4.结论
车体在纵向拉伸和压缩载荷作用时，底架前端相当于牵引梁的作用，此时前端下部盖板局部开孔的部位应力较大，侧门门角应力也较高。载荷通过连接型材传至地板后，整个地板受力均匀且应力水平较低，这说明底架前端能够将力均匀的传到底架上，避免了傳统牵、枕、缓结构的应力集中区域。
车体一阶垂向弯曲频率为18.48Hz，根据有关资料，整备状态后车体弯曲振动频率会降低30%左右，由此本车整备后一阶垂向弯曲振动频率约为12.9 Hz，能满足车体最低弯曲振动频率大于10 Hz动态设计准则的要求。
根据静强度计算结果，应力较高的部位在静强度试验中重点测量。
四、车体静强度试验验证
1试验结果
在2008年2月到5月对铝合金车体进行了车体强度试验，通过试验验证了计算模型的准确性。
根据静强度计算的结果进行静强度试验的应变片贴片，共贴应变片120处，其中底架37处，侧墙4处，端墙1处，车顶10处，门口20处，窗口48处。考虑到静强度计算得到的门角、窗角和前端应力较高，因此在这几个部位重点测试。
根据试验结果，所有测点的应力均小于所用材料的许用应力。但二位端下门角、门上角和二位端底架开口处等部位应力接近上限。这些测点的应力情况与静强度计算相符。
五、结论
本文以CRH3高速动车组TC02车铝合金车体为研究对象，采用大型的有限元分析软件I-DEAS进行了车体结构的应力分析、变形分析、模态分析，在此基础上结合静强度试验对其进行验证。试验结果表明，CRH3型动车组TC02车车体结构的强度满足EN12663《铁路应用——铁路车辆车体结构要求》的要求。也说明了我们的计算方法是正确的，试验方法是可靠的。
在各种载荷工况条件下，车体静强度小于许用应力，而且车体整体的强度储备是很大的，也验证了车体结构的设计是合理的，从而保证了列车运行是安全的。
但是，也存在着局部应力较高的部位，发生在窗口及门角，局部应力集中最高处在二位端下门角、上门角和二位端底架开口处，这些也应给予充分注意。
参考文献
[1] 机械设计手册 机械工业出版社 2004.
[2] 王勖成 邵敏 有限单元法基本原理和数值方法 北京：清华大学出版社 2000.
[3] EN 12663《铁路应用——铁路车辆车体结构要求》.
[4] UIC 566：1990 《客车车体及其构件的载荷》.
[5] EN 755-2：2008 铝及铝合金-挤压型材 第二部分：机械性能.
[6] EN 485-2：2004 铝及铝合金-薄板、钢带及钢板 第2部分：机械性能.