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隨著軌道交通事業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，高效便捷的軌道交通受到越來越多城市的青睞，并且對車體綜合性能的要求越來越高。車頂骨架作為車輛內裝的重要組成部分，尤其在支撐車頂風道等結構和減少振動方面起到了不可缺少的作用。減輕車頂自身質量一方面節(jié)約了原材料，降低了生產成本；另一方面也使結構各處應力的合理有效的分布，避免局部結構的應力集中而導致整體結構的破壞，因此設計出質量輕而各方面性能又達到要求的車頂是一項重要任務。本研究對某公司開發(fā)的新型地鐵的車頂骨架結構進行了有限元分析，得到了產生應力集中的位置，并且制定了滿足應力要求的優(yōu)化方案，通過對比得出方案滿足整體強度要求且優(yōu)化后應力分布變得更加均勻，該優(yōu)化方案具有一定的實用性為同類車型的車頂骨架開發(fā)提供了一定得參考價值。
作為車輛內裝的重要組成部分，車頂骨架主要包含三個主結構，由上到下依次為風道結構、中頂板結構以及扶手結構。車頂骨架結構采用模塊化設計，便于最后整車模塊化拼裝。每個骨架模塊中，風道結構由3根支撐梁承載，支撐梁的兩端通過吊座用螺栓連接于車頂鋁合金型材的滑槽中，中頂板結構的兩邊預置了兩根安裝的邊梁，邊梁通過螺栓與風道下部的頂板邊梁連接，同時中頂結構兩邊與邊頂板搭接，邊頂板直接固定在側墻，扶手上端安裝在支撐梁凹槽中，下端與浮置地板相連。圖為車頂骨架結構各部分的結構示意圖，由上到下依次為風道和吊座結構，支撐梁結構，中頂板結構和扶手結構。
由于該地鐵車頂骨架結構是由板、梁組成的復雜三維空間結構，各個組件的厚度都比較薄，而且與長度相差太大，理論上各構件都可看作是薄壁板殼結構，因而可以全部采用板殼單元建立計算模型.將三維模型導入Hypermesh軟件中，對實體幾何進行抽中面，并根據實際情況針對各個中面進行連接，采用Altair公司的Hypermesh劃分網格，網格劃分前對各結構件進行模塊分組，為提高整個網格劃分的速度和保證網格的質量，縮短計算時間，需對該車頂骨架幾何模型進行清理，去除對分析結果影響較小的倒圓以及小孔等幾何區(qū)域，在本次有限元模型建模中，針對螺栓連接進行一定的簡化，螺栓連接的兩個部件，根據螺母或者墊片大小在連接處生成相應網格區(qū)域，并通過剛性單元將該區(qū)域的從節(jié)點與其中心處的主節(jié)點連接，用與螺栓相同截面的梁單元連接兩個剛性單元的主節(jié)點，模擬螺栓連接處的實際受力情況，上圖為幾何中面，下圖為有限元螺栓連接模型。扶手部分忽略外部裝飾殼建模，只對鋼結構件進行模擬，扶手安裝座和扶手內套筒采用六面體實體單元進行劃分，實體單元與二維殼單元以及一維梁單元的節(jié)點自由度不匹配，故在實體單元表面覆蓋一層0.1mm厚的板單元，使實體單元的表面節(jié)點由原先的3個自由度轉變?yōu)?個自由度，扶手安裝結構如圖所示，扶手安裝結構中的銷結構通過相同截面的梁單元進行模擬，扶手部分中三通座同時連接立柱扶手桿和橫扶手桿三個桿件，三通座對與扶手桿有緊固作用，涉及到非線性接觸，為了保證分析在線性域內進行，采用剛性單元模擬扶手桿和三通座之間的緊固作用，使兩部分的自由度耦合，圖為三通座與扶手桿連接示意圖，紅色部分為剛性單元及模擬螺釘的梁單元，針對上述結構進行拼裝，生成車頂骨架單個模塊，方便后期整備車輛模型的拼裝。圖為最后劃分好網格的車頂骨架模塊效果圖，最后在Hypermesh中賦予材料屬性和板厚，其材料特性見表。
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