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鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)有限元分析主要有兩種研究方法：1)根據(jù)相關(guān)評定標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元理論和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析；2)根據(jù)相關(guān)評定標(biāo)準(zhǔn)，采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)分析。對比這兩種分析方法，有限元法比較省力、經(jīng)濟(jì)，同時還可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，是目前國內(nèi)外強(qiáng)度分析的發(fā)展趨勢，尤其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。但是，不管是哪種分析方法，都需要選擇適用于結(jié)構(gòu)的評定標(biāo)準(zhǔn)，這對于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析的合理性至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外車體強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)主要有：日本規(guī)范JISE7106、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663-2、國際鐵路聯(lián)盟UIC566-3、我國規(guī)范TB/T1335-1996以及《200km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》下文簡稱《暫規(guī)》，以國內(nèi)某型軌道車車體為例，通過對比分析上述這5種評定標(biāo)準(zhǔn)，研究各標(biāo)準(zhǔn)的適用車型以及各自的適用范圍，為今后類似研究提供理論參考，并根據(jù)選取的標(biāo)準(zhǔn)對該型車體的強(qiáng)度進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。
以5種設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，對常用計(jì)算工況進(jìn)行對比分析，分析每種規(guī)范的適用范圍，研究更適用于評定軌道車車體的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過對比5種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于垂向載荷的規(guī)定：JISE7106標(biāo)準(zhǔn)考慮比較全面，在取值時根據(jù)二系懸掛裝置的不同規(guī)定不同的垂向載荷，如果是空氣彈簧取其動載荷，如果是金屬彈簧取其動載荷，而其余標(biāo)準(zhǔn)都是一致規(guī)定。通過對比：JISE7106標(biāo)準(zhǔn)對車鉤區(qū)域處的拉、壓載荷取值較低，并且沒有明確規(guī)定端墻區(qū)域的3種壓縮載荷.其它標(biāo)準(zhǔn)對縱向載荷的規(guī)定基本一致，經(jīng)試驗(yàn)表明，在端墻區(qū)域壓縮載荷的作用下，車體的安全系數(shù)較低。5種標(biāo)準(zhǔn)對扭轉(zhuǎn)載荷的規(guī)定一致：一側(cè)固定側(cè)施加40kN.m的扭轉(zhuǎn)載荷，通過5種設(shè)計(jì)規(guī)范的對比：EN12663和《暫規(guī)》以及UIC566規(guī)定兩點(diǎn)支撐和四點(diǎn)支撐，當(dāng)四點(diǎn)支撐時還應(yīng)考慮不均衡因素(三點(diǎn)支撐)，JISE7106規(guī)定三點(diǎn)支撐。EN12663和JISE7106對組合工況的規(guī)定是車鉤縱向壓縮/拉伸載荷與垂向載荷以及車鉤縱向壓縮/拉伸載荷與垂向最小載荷，UIC566和《暫規(guī)》對組合工況的規(guī)定是垂向載荷與車鉤縱向壓縮/拉伸載荷同時作用、垂向載荷與車體內(nèi)外壓差4000Pa氣動載荷同時作用。經(jīng)分析：日本標(biāo)準(zhǔn)的載荷工況偏低，所以對制造水平和加工精度要求較高，但考慮我國制造水平偏低，為了提高安全系數(shù)，選用EN12663或《暫規(guī)》，但該車運(yùn)行速度沒有達(dá)到200km/h，故選用EN12663標(biāo)準(zhǔn)作為該型軌道車車體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
在有限元模型建立中，按保證精度和控制規(guī)模的原則來簡化模型，采用節(jié)點(diǎn)藕合的方式模擬構(gòu)件之間的焊接及鉚接，對車上附加部件按質(zhì)量塊的方式進(jìn)行模擬，采用板梁單元建立該型車體的有限元模型，對結(jié)構(gòu)中尺寸較大的承載梁和承載鋼板，例如緩沖梁、中梁、蒙皮等，采用SHEII_63單元模擬，對于結(jié)構(gòu)中尺寸較小的承載梁，例如底架小橫梁、頂梁等，采用BEAM181單元進(jìn)行模擬。由于車體結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且尺寸較大，如果采用實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，不僅耗時而且會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中導(dǎo)致分析失敗，為此，采用板梁混合的有限元模型用來分析車體是個很不錯的方法。經(jīng)過離散處理，其單元數(shù)為2432，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4534，最終離散的有限元模型如圖所示。
車體9種載荷工況根據(jù)EN12663-2000標(biāo)準(zhǔn)確定，載荷工況如表所示：1)垂向和縱向分析時，在枕梁支撐處的一端施加垂向約束，另一端施加垂向及縱向約束；2)扭轉(zhuǎn)分析時，在對稱部位處施加反對稱邊界約束。運(yùn)用有限元軟件ANSYS對車體9種載荷工況下的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明：工況8下車體的當(dāng)量應(yīng)力是9種工況下最大的，其值為129MPa，出現(xiàn)在車體前端牽引梁與中梁交接處，如圖所示，小于該工況下的許用應(yīng)力213MPa，所以，車體滿足靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。
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