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1、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)侧墙横梁、侧墙下边梁、加强横梁和连接板组成,大量摘要简要介绍有限元强度计算和模态分析的相关采用帽型型材和箱型型材,不锈钢车体侧墙骨架主要理论,应用有限元分析软件ANSYS,建立地铁动车不锈采用立体接头连接,侧墙车窗采用单元组合式整体车钢车体结构的有限元分析模型,确定有限元模型的计算窗;端墙主要由端墙立柱、端墙横梁、补强板和连接板载荷和评定标准,计算车体在给定工况下的静强度,以组成;车顶主要由车顶边梁、车顶横梁、平顶纵、横梁等及整备
2、状态下的固有频率和振型。结果表明,车体静强组成,其中车顶弯曲横梁采用乙型型材,平顶纵、横梁度及刚度在各运用工况下都能满足相关标准要求。采用帽型型材。车顶和底架采用波纹地板以增加刚关键词不锈钢车体有限元强度模态度,以便能更加有效地承受和传递载荷。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图1车体有限元分析模
3、型及侧墙板上压筋和加强横梁析。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,2控制方程利用大型有限元分析软件进行车体结构的强度分析,一2.1有限元求解方程定程度上取代了传统静强度试验的方法,大大节约了试根据虚功原理,建立整个系统的能量守恒方程,再验成本,并且能够较好地与试验结果相吻合。本文针对根据最小位能原理,从而得到有限元求解方程为[1]地铁车辆轻量化不锈钢车体,利用大型有限元分析软Ka=P(1)件ANSYS建立动车车体的有限元模型,进行有限元静式中:K为结构的总体刚度矩阵,a为节点位移列阵,P强度
4、计算和模态分析,以得到车体结构在各工况下的为节点载荷列阵。应力水平、应力分布、刚度、自振频率及振型。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1车体结构特点几何方程和物理方程可求出结构的应变和应力。动车车体长度19000mm,车体最大宽度2.2模态计算方程3300mm,车体自重8.033t,转向架重量13.46t,轴重在动力学问题中,无阻尼多自由度离散系统的自12.9t,转向架轴距12600mm。由振动方程为车体结构采用薄壁筒型整体承载结构(如图1所··MX+KX=0(2)示),由底架、侧墙、端
5、墙和车顶构成。其中,底架由牵式中:M和K分别为质量矩阵和刚度矩阵。引梁、缓冲梁、端部横梁、中部横梁、边梁和连接板组通过对{X}进行线性代换{X}={}{Y},可得到成,在枕梁和牵引梁处均加有补强板;侧墙由侧墙立柱、齐次不耦合方程的解及第i个振动模态的频率ωi。收稿日期:2007-06-05修回日期:2007-06-18-1将齐次不耦合方程两端同时乘以M,可得作者简介:周伟,男,轨道交通安全教育部重点实验室,硕士研究生,··IY+DY=0(3)zhouwei000@126.comURBANRAPIDRAILTRANSIT47都市快轨交通·第20卷第
6、5期2007年10月式中:I为单位矩阵。纵向拉伸载荷及相应的边界约束,对三个载荷步进行依式(3),可得系统的特征方程为求解,求解完通过工况叠加来查看车体在第一工况、第D-λI=0二工况和第三工况下车体结构应力水平和应力分布。2若λi为特征值,则系统的固有频率由λi=ωi决本计算所有应力结果采用当量应力,此应力不得[2]定,并可依据λi得到相应的振型,即特征向量。超过许用应力。参照文献[4],不锈钢ST屈服强度为3有限元计算模型412MPa,许用应力282MPa;耐候钢屈服强度为294MPa,许用应力为184MPa。3.1车体有限元模型的建立当量应
7、力的计算公式为考虑到车体结构的对称性和计算规模,应用全板222σe=SQRT(0.5((σ1-σ2)+(σ2-σ3)+(σ3-σ1)))结构建立1/2模型,并用Shell63单元进行离散。式中,σe为当量应力/MPa,σi为主应力/MPa,SQRT表Shell63单元为4节点空间四边形单元,每个节点具有示对表达式开平方根。6个自由度,沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和绕节4.2静强度计算结果点坐标系X、Y、Z轴的转动,Shell63单元既具有弯曲能各工况下车体车顶结构、侧墙结构、底架波纹板和力又具有膜力,可以承受平面和法向载荷。按照车体耐候钢结构
8、的应力水平如表1所示。其中第一工况下车实际尺寸给各面元赋予不同厚度实常数并离散位壳单[3]体最大应力为184.169MPa,出现在车顶波
