輕軌車輛鋁合金車體疲勞強(qiáng)度分析及可視化

李孟梁 董曾文 羅寶

摘 ?要：根據(jù)歐盟關(guān)于鐵道車輛的標(biāo)準(zhǔn)（ORE B12/RP17）給出的多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力的方法，對(duì)某輕軌車輛鋁合金車體全車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)車體疲勞強(qiáng)度可視化。結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：鋁合金車體;疲勞強(qiáng)度;可視化

中圖分類號(hào)：TG146 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0082-03

Abstract： According to the method of transforming multi-axial stress into uni-axial stress set by the European Union Standard for Railway vehicles （ORE B12/RP17）， the fatigue strength of the whole body structure of an aluminum alloy car body of a light rail vehicle is analyzed， and the visualization of fatigue strength of the car body is realized at the same time. The results show that the fatigue strength of the car body structure meets the design requirements.

Keywords： aluminum alloy car body; fatigue strength; visualization

引言

為保證車輛的安全性和可靠性，需要對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，以保證車體在壽命期內(nèi)的正常使用要求。

在現(xiàn)有承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的商業(yè)軟件中，僅能獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力和位移等分析數(shù)據(jù)與云圖顯示結(jié)果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)相應(yīng)的強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)應(yīng)力結(jié)果處理，以判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于得到的安全系數(shù)、材料利用度等結(jié)果，現(xiàn)有商業(yè)軟件無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)其可視化。

本文采用疲勞極限法對(duì)某輕軌車輛鋁合金車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，并實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的材料利用度的可視化。

1 疲勞強(qiáng)度分析方法

本文基于標(biāo)準(zhǔn)ORE B12/RP17給出的多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力的方法，進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。UIC 510-5標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這一轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述，其關(guān)鍵在于確定最大主應(yīng)力值及其方向向量，核心運(yùn)算為二階應(yīng)力張量矩陣的乘法運(yùn)算，具體過(guò)程不再贅述。

2 車體結(jié)構(gòu)及有限元模型

2.1 車體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該輕軌車輛車體由大型中空鋁合金型材組焊而成，為筒型整體承載結(jié)構(gòu)，具有較好的截面剛度特性，車體結(jié)構(gòu)具有較好的整體剛度和良好的防腐性能。車體結(jié)構(gòu)主要由底架、側(cè)墻、頂蓋、端墻和司機(jī)室骨架組成。

2.2 車體有限元模型

通過(guò)Hypermesh軟件建立車體有限元模型，車體結(jié)構(gòu)離散為殼單元，對(duì)于大型安裝設(shè)備，在設(shè)備重心處施加集中質(zhì)量單元并通過(guò)rbe3柔性單元與車體連接，對(duì)于內(nèi)裝、乘客等，在底架地板均勻施加質(zhì)量單元。圖1為車體有限元模型。不同的母材和不同類型的焊縫，均有不相同的疲勞許用應(yīng)力，為方便后續(xù)疲勞強(qiáng)度計(jì)算，在前處理中，車體材料和焊縫均需要分類。圖2為車體結(jié)構(gòu)的材料分布圖。車體焊縫使用桿單元標(biāo)記，不同類型的焊縫存放于不同組件中，如圖3所示。

2.3 車體疲勞載荷

車體疲勞強(qiáng)度計(jì)算載荷工況主要依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 12663-1-2010確定，主要考慮以下載荷工況。

工況1：正常運(yùn)行載荷狀態(tài)（AW2）編組列車垂向載荷，垂向加速度a=1±0.15g。

工況2：正常運(yùn)行載荷狀態(tài)（AW2）編組列車橫向載荷，橫向加速度a=±0.15g。

工況3：正常運(yùn)行載荷狀態(tài)（AW2）編組列車縱向載荷，根據(jù)列車啟動(dòng)和制動(dòng)確定。

工況4：正常運(yùn)行載荷狀態(tài)（AW2）編組列車扭曲載荷，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN14363確定。

工況5：抗側(cè)滾扭桿載荷，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 13749確定。

還需要對(duì)三個(gè)方向的加速度載荷和線路扭曲載荷進(jìn)行疊加組合，得到最終計(jì)算工況。

3 疲勞強(qiáng)度分析及可視化

3.1 疲勞強(qiáng)度分析

在靜強(qiáng)度工況計(jì)算完成后，進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，主要包含以下步驟：

（1）獲取疲勞強(qiáng)度計(jì)算所需數(shù)據(jù)，包含模型參數(shù)和各工況下節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，其中，模型參數(shù)主要是單元信息（所屬的材料、包含的節(jié)點(diǎn)）。

（2）依據(jù)節(jié)點(diǎn)所屬的單元材料或焊縫類型，賦予節(jié)點(diǎn)材料信息，同時(shí)，根據(jù)各工況的應(yīng)力結(jié)果，求取最大應(yīng)力和應(yīng)力比。

（3）依據(jù)材料種類或焊縫類型，以及應(yīng)力比，確定許用應(yīng)力，求取材料利用度。

3.2 結(jié)果及其可視化

ANSYS后處理提供了修改結(jié)果的功能，通過(guò)APDL命令DNSOL，將疲勞數(shù)據(jù)賦值。用材料利用度將原有的SXZ即XZ方向的剪切應(yīng)力覆蓋，然后再對(duì)SXZ進(jìn)行云圖顯示，就可以得到材料利用度分布云圖。

車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果的材料利用度分布云圖如圖5和圖6所示?？梢钥闯觯圀w結(jié)構(gòu)最大材料利用度為0.616，出現(xiàn)在圓弧頂蓋與空調(diào)平臺(tái)的過(guò)渡筋板焊縫處。除此之外，枕梁區(qū)域、抗側(cè)滾安裝座、門角和窗角區(qū)域，材料利用度也相對(duì)大些。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用主應(yīng)力矩陣求解應(yīng)力投影值，可以簡(jiǎn)化計(jì)算程序和提高計(jì)算效率。以云圖顯示材料利用度，可以直觀的看出車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的分布和具體的材料利用度數(shù)值，提高疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果的可視性。

整個(gè)車體結(jié)構(gòu)的最大材料利用度為0.616，小于1，說(shuō)明車體疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)車體材料利用度，可以針對(duì)性地對(duì)材料利用度大的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;對(duì)于材料利用度小的地方，可以綜合考慮其他設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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