聊聊高速列车车体联接结构的强度有限元分析2023/2/20 16:18:01

会呼吸的痛

列车轻量化是高速列车发展的重要条件，因而减轻机车车辆承载结构的质量即车体轻量化研究成为高速列车车体结构设计的一个重要方向。目前国内外现车体轻量化的主要方式之一是采用铝合金材料。在铝合金车体结构设计中，车体主要承载部件(如底架、侧墙、车高、端墙等)一般采用大型中空截面挤压型材，整车结构由这些型材焊接、铆接或螺栓联接而成。由于铝合金焊接中存在焊接处母材强度降低、焊接缺陷、变形、残余应力等问题，为了体现铝合金和钢材的各自点，构成车体时需要采用两种不同的金属。在两种不同金属间进行焊接时，焊接难度大，焊接质量难以保证，因此铆钉或螺栓联接成为此处结构联接的重要方式。有限元分析的相关问题可以到网站了解下，我们是业内领域专业的平台，您如果有需要可以咨询，相信可以帮到您，值得您的信赖！

在对该种车体进行静强度有限元分析时，一方面对铆钉或螺栓联接结构细节的处理将会影响整车应力的分布；另一方面，如何对铆钉或螺栓联接结构本身进行强度校核也是整车强度分析的重要部分。本文将结合某高速列车铝合金车体的静强度计算分析，对铆钉和螺栓联接结构有限元模型的建立和强度校核进行阐述。


高速列车车体主结构可分为底架、侧墙、端墙、车高、司机室等5部分。枕梁、端梁和司机室结构为了满足强度和刚度及其它方面的要求，选用钢材；车体其它结构由铝合金的纵向挤压型材和铝板焊接、铆接和螺栓联接而成。结合该车体的结构特点与受力特征，并考虑到计算精度和效率，在有限元力学模型中，车内各设备通过计算其重心及安装座位置，以质量单元形式加至各对应节点上，二系弹簧采用弹簧单元，前后从板座采用维体单元，其余全部采用板单元。半车模型共有187171个单元，181266个节点。


由于枕梁、前后端梁和司机室结构为钢制件，而底架侧梁、侧墙为铝型材，目前，不同金属材料之间的焊接主要采用爆发压接法，但是在车体上还没有应用例。铆接是通过工具连续锤击或用压缩机压缩铆钉杆端，使钉杆充满锭孔并形成铆成头进行联接；螺栓联接通过采用标准紧固件，选择合理的螺纹牙、螺栓头、光杆和螺母的结构进行联接。铆钉和螺栓联接的工艺特点决定了其适用于异性金属以及焊接性能不良的金属的联接。铆钉杆充满钉孔，螺母和螺栓头之间的压力使得联接处结构被约束的自由度相同，从而达到联接的目的。铆钉和螺栓联接区别于焊接的地方就在于焊接通过焊缝使焊接的两部分成为一体，特别是在铝合金车体中，考虑到列车运行中气密性和动力学性能的问题，焊接一般采用连续焊接。因此在有限元模型中，通常使得焊缝两侧结构完全联接在一起。而铆钉和螺栓联接只是在铆钉孔和螺栓孔处联接结构的自由度相同，其余联接区域是接触关系。如果采用布尔操作，则人为提高了联接刚度，影响了整车应力的分析，因此铆钉和螺栓联接区域需要另外的处理方法，即耦合和约束方程。


耦合和约束方程是有限元中建立节点自由度之间特殊关系的技术。利用这些技术能进行单元做不到的自由度联接。耦合技术迫使两个或多个自由度取得相同但未知的值，耦合自由度集包含一个主自由度和一个或多个其它自由度。在计算过程中耦合只将主自由度保存在分析的矩阵方程里，而将耦合集内的其它自由度删除，计算的主自由度值将分配到耦合集内所有其它自由度中去。约束方程提供了一种比简单耦合更通用的联系自由度值的方法，约束方程必须有如下形式。