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鋁合金材料以其重量輕、耐腐蝕性好和易于采用擠壓方法成型等優(yōu)點成為鐵路機車車輛制造業(yè)中的理想材料。為確保機車車輛在工作狀態(tài)下安全可靠，鋁合金車體結(jié)構(gòu)同樣要求具有足夠的強度和剛度，并滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前機車車輛車體結(jié)構(gòu)的強度計算分析主要采用有限元分析。在施工設(shè)計后進(jìn)行有限元計算可以檢驗設(shè)計的合理性和結(jié)構(gòu)是否達(dá)到設(shè)計要求，并對車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。該文結(jié)合國內(nèi)某地鐵鋁合金車體的結(jié)構(gòu)特點，建立了車體結(jié)構(gòu)的有限元模型，對其強度進(jìn)行了計算分析。
該地鐵鋁合金車輛屬于B型車，包括動車和拖車，其車體主要承載件幾乎全部由鋁合金YL104構(gòu)件焊接而成。鋁合金頭車的側(cè)墻采用大型開口彎曲型材對焊的結(jié)構(gòu)，側(cè)墻門窗較多并且開口較大。門與窗、窗與窗之間及門口周圍采用大型開口彎曲型材。門口及窗口采用補強措施。采用此種形式可以避免板、梁焊接結(jié)構(gòu)引起的墻板變形。車頂為自承載結(jié)構(gòu)，采用有足夠剛度的密封中空擠壓型材插接而成。型材內(nèi)側(cè)表面設(shè)內(nèi)頂、風(fēng)道等安裝用的C形槽。邊梁采用大型擠壓型材，中間部分采用開口鋁合金寬幅擠壓型材，上邊梁車頂與側(cè)墻共用。車頂局部結(jié)構(gòu)如圖所示。側(cè)墻采用中空擠壓型材插接而成，縱向?qū)咏宇^采用MIG自動焊接，組裝之后切除窗孔。圖為鋁合金車體側(cè)墻局部結(jié)構(gòu)。底架由2根空腹多室斷面的側(cè)梁、若干寬幅空心薄壁析架式斷面的長大閉口型材及牽引梁、枕梁、緩沖梁、端梁等組成。邊梁、地板型材上部C形夾溝用來固定地板，并通過焊接管通風(fēng)，以免形成冷凝水。邊梁、地板型材下面的溝槽沿底架縱向布置，與型材一起擠壓成型。該結(jié)構(gòu)是為吊裝車下設(shè)備而設(shè)置的。底架局部結(jié)構(gòu)如圖所示。
地鐵全焊接鋁合金頭車的車體結(jié)構(gòu)有3種類型的材料： ①牽引梁、枕梁、緩沖梁部件由7005-T6材料制成；②車窗框由YL104材料制成；③其余部分部件由6005A-T6材料制成。所用材料的機械特性見表，在分析了鋁合金車體的結(jié)構(gòu)特點和材料的力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件ANSYS建立車體的有限元模型。由于鋁合金車的零部件基本是薄壁構(gòu)件，所以車體結(jié)構(gòu)全部采用殼單元shell63模擬；底架設(shè)備和空調(diào)、門窗以質(zhì)量單元mass的形式施加在各自的位置上；二系懸掛采用彈簧單元combin 14進(jìn)行模擬內(nèi)裝、管線等垂直荷載以均布荷載施加在地板上。在鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，車體主要承載部件(如底架、側(cè)墻、車頂、端墻等)一般采用大型中空截面擠壓型材，整車結(jié)構(gòu)由這些型材焊接、鉚釘或螺栓連接而成。因此鉚釘或螺栓連接的模擬對仿真計算的準(zhǔn)確性有重要影響。對于鉚釘或螺栓連接，本文以相關(guān)節(jié)點的耦合和約束方程進(jìn)行模擬。
利用耦合和約束方程來進(jìn)行模擬是有限元中建立節(jié)點自由度之間特殊關(guān)系的一項重要技術(shù)。利用這項技術(shù)能實現(xiàn)單元做不到的自由度連接。耦合技術(shù)迫使2個或多個自由度取得相同但未知的值。耦合自由度集包含1個主自由度和1個或多個其他自由度。鋁合金車體的有限元模型如圖所示。 考慮到車體結(jié)構(gòu)的對稱性和節(jié)省計算時間，計算模型采用半個車體模型，取底架承載較重一邊。計算模型包括171712個節(jié)點，171169個單元。其中殼單元197405個，質(zhì)量單元456個，彈簧單元2142個。耦合和約束方程數(shù)為91773個。鋁合金車體計算工況的確定此次計算分析參照國外相關(guān)地鐵車的計算報告和2003年7月開始實施的GB/T7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》，并參照DIN EN485-2:2004《鋁和鋁合金一薄板、帶材和板材》、BS EN12663:2000《鐵道應(yīng)用一軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》和BS8118: 1991《鋁結(jié)構(gòu)應(yīng)用第一部分:設(shè)計實施慣例》等標(biāo)準(zhǔn)，還參考了設(shè)計人員的意見，確定了鋁合金車體結(jié)構(gòu)在正常和超常工作荷載負(fù)荷下的分析工況。
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