動車組結構及原理課件：動車組車體結構靜強度分析

動車組車體靜強度分析1.理解什么是車體強度分析2.知道車體承受載荷情況3.了解車體強度分析方法學習目標1車體承受的載荷3車體靜強度分析學習知識點

動車組車體靜強度分析

車體結構強度分析概述1.車體結構強度定義車體結構強度是指在外力或載荷作用下，車體結構抵抗破壞的能力。2.車體結構功能要求承受使用期間可能出現的各種載荷與變形，并具有良好的工作性能；在正常維修和保養條件下，具有足夠的使用耐久性。3.車體結構強度問題車體結構靜力破壞；車體結構疲勞失效。ICE-1動車組疲勞失效導致的后果

車體結構強度分析概述疲勞強度分析關注車體在長期循環載荷下的耐久性，預防因疲勞引起的破壞，提升運行可靠性。4.結構強度分析主要的類型及作用（1）靜強度分析（2）疲勞強度分析靜強度分析確保車體在靜態載荷下不會發生破壞，從而保障結構的安全性。車體結構強度分析是車輛實現運行高速、安全、耐久和可靠的保障。牽引梁與三角筋板之間的焊縫出現疲勞裂紋裂紋形態強度分析方法同3.9節轉向架強度分析PPT

1車體承受載荷垂向載荷縱向載荷側向載荷扭轉載荷

車體自重車輛載重整備重量垂向載荷垂向靜載荷垂向動載荷軌面不平鋼軌接縫等線路原因車輛本身狀態不良1車體承受載荷

經驗公式簡化計算：垂向動載荷的計算車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度mm車輛的最高運行速度km/h系數取值為0.05系數。貨車取值為1.65，客車取值為3.0系數。簧上部分為1.5.簧下部分為3.5系數。簧上部分為0簧下部分為0.569垂向動載荷動荷系數垂向靜載荷垂向靜載荷和垂向動載荷之和稱為垂向總載荷1車體承受載荷

列車加速度車輛底架的作用力縱向載荷縱向力的產生影響因素起動牽引力列車的重量與速度機務人員的操作水平單個車輛本身的質量、車體縱向剛度和其他部件性能縱向力：指列車在各種運動狀態時車輛間所產生的壓縮和拉伸的力。當列車發生縱向沖擊時車輛所處位置不同，其所受力的大小不等。1車體承受載荷

側向載荷風力離心力按風壓力乘以車體側向投影面積計算，風力合力作用在車體側向投影面積的形心上。車輛運行在線路的曲線區段時，將承受離心慣性力(俗稱離心力)的作用。離心力計算公式：重力加速度，通常取10m/s2曲線半徑(m)通過曲線時車輛最大允許速度(km/h)曲線區段的外軌超高量(mm)輪對兩滾動圓之間的距離(mm)，其值為1493mmgRv2b1h1車體承受載荷

扭轉載荷車輛制造幾何誤差，線路不平即使是靜止的重載車體也可以形成扭轉。蛇行運動、車輛進出曲線或道岔側線均可以使車體扭轉。1車體承受載荷

按第三章所述強度分析方法，依據EN12663標準對車體進行強度校核，基本分析流程為幾何處理、網格劃分、有限元模型處理、計算與后處理幾個步驟強度有限元分析流程圖處理CAD幾何模型網格劃分有限元模型處理計算分析結果后處理輸出結果2車體強度分析

幾何處理是對車體的CAD模型進行幾何清理、抽取中面、結構簡化等工作，經過幾何處理后，得到便于進行網格劃分的簡化模型，利用專業軟件進行有限元網格劃分。某動車組車頭有限元模型2車體強度分析

對車體結構劃分完網格后，需要對模型進行屬性、工況條件的設置，輸入結構材料的各項力學參數。序號材質厚度(mm)非焊接處屈服應力焊接處屈服應力彈性模量泊松比16005A-T6e≤5225115710000.335＜e≤1021510＜e≤2520026082-T6e≤6260125710000.336＜e≤12.525535083-H111e≤50125125710000.332車體強度分析

序號工況名稱負載大小/kN載荷施加方法1垂向定員負載工況垂向載荷：481.719有限元模型重量以重力加速度形式模擬乘客質量均布座椅處設備質量施加于設備懸掛處其余重量分布地板上2整備與車鉤座1500縱向壓縮組合工況垂向負載：411.159縱向負載：1500垂向負載同1（無乘客質量）縱向負載作用于二位端車鉤座處3整備與二位端部壓縮300kN組合工況垂向負載：411.59縱向負載：300垂向負載同1（無乘客質量）縱向負載作用于二位端端墻窗腰帶高度處4抬車工況11.1g×（AW0+轉向架質量）垂向負載同1（無乘客質量）兩端轉向架重量分別施加于懸掛處根據EN12663標準，確定車體超常工況，下表給出四個具有代表性的載荷工況。車體靜強度分析實例2車體強度分析

根據車體有限元模型所施加的載荷工況及位移約束條件進行有限元分析，可得到4個工況下車體靜強度計算結果。下圖為第1個工況下的車體應力云圖。2車體強度分析

車體靜強度分析結果序號工況名稱應力最大值及出現位置（MPa）許用應力（MPa）1垂向定員負載工況側墻下窗角：92.62152整備與車鉤座1500縱向壓縮組合工況側墻上門角：181.52153整備與二位端部壓縮300kN組合工況側墻上窗角：209.82154抬車工況1側墻下窗角：98.8215由表中數據可知，四個工況下的應力最大值均小于材料的許用應力，表明該車體結構滿足靜強度要求。2車體強度分析

車體疲勞分析實例參考EN12663標準以及車體設計要求，制定高速動車組車體正常運營載荷工況，即疲勞強度載荷工況，用三個方向的加速度代表動態載荷，循環次數均為一千萬次，各疲勞載荷工況詳細描述見下表。序號名稱描述約束1垂向疲勞工況垂向定員負載時，在垂向振動加速度為±0.15g的狀態下，車輛應能夠承受107次負載循環。車體與枕梁聯接處施加垂向線位移約束，其中一側再施加橫向線位移約束。車鉤座處施加縱向約束。2橫向疲勞工況垂向定員負載時，在橫向振動加速度為±0.15g的狀態下，車輛應能夠承受107次負載循環。同垂向疲勞工況3縱向疲勞工況垂向定員負載時，從最大牽引加速度至最大制動減速度狀態變化（±0.15g），車輛應能承受107的交變負載循環同垂向疲勞工況2車體強度分析

車體最大主應力計算結果工況1中，最大主應力為18.992MPa，出現在底架端部門角處。將各薄弱位置的應力值具體整理見下表。編號位置焊接形式等級（FAT）最大計算應力（MPa）許用應力A1底架端部檢查門角母材7118.99250.8B1側墻下窗角母材7115.89950.8C1裙板焊縫角焊3612.74321.1D1底架擋板焊縫角焊3611.57921.1E1地板開孔處母材7110.54450.82車體強度分析

車體最大主應力計算結果2車體強度分析

基于IIW-2015標準的車體疲勞強度分析S-N曲線評估焊接接頭的抗疲勞破壞能力，其描述試樣在不同應力水平下的疲勞壽命。在雙對數坐標系下以應力變化范圍Δσ為縱坐標，載荷作用下接頭的循環次數N為橫坐標。S-N曲線方程為：式中，m是雙對數坐標系下S-N曲線的反向斜率；C是與焊接接頭類型相關的試驗常數。IIW-2015標準中鋁的疲勞強度的S-N曲線見右圖，圖中列出了FAT值（FAT值即疲勞強度值，為2×106次循環對應的應力變化范圍值）為12～50的焊接接頭的S-N曲線以及FAT值為71的母材的S-N曲線。圖中焊接接頭的第一段S-N曲線的反對數斜率為m1=3，第二段S-N曲線的反對數斜率為m2=22；母材第一段曲線的反對數斜率為m1=5，第二段斜率與焊接接頭的相同。鋁材典型的S-N曲線2車體強度分析

選取焊接接頭與疲勞等級根據評估部位的焊接接頭類型、承載方向、材料以及焊后處理情況，在IIW-2015標準中選取對應的接頭細節、FAT等級及相關參數。選取評估點基于ANSYS軟件對車體進行疲勞強度計算，得到車體疲勞強度薄弱部位的主應力，將第一和第三主應力變化范圍中絕對值較大值作為評估應力。基于IIW-2015標準的車體疲勞強度分析2車體強度分析

計算累積損傷ni：第i個工況要求的疲勞壽命（鋁材一般為107次）。Ni：實際算得的主應力范圍對應得疲勞壽命。D：總的累積損傷，通常當D<1時安全，D

1時表示破壞。基于IIW-2015標準的車體疲勞強度分析Ni計算公式為：

為計算得到的疲勞應力范圍；為107次循環對應的疲勞強度值；為109次循環對應的疲勞強度值；C1、C2為常系數，與FAT值對應。2車體強度分析

編號焊接形式/FAT級計算項目工況1工況2工況3工況1A1母材71級應力范圍18.9920.4720.99損傷比3.98×10-101.98×10-452.37×10-38累計損傷3.98×10-10B1母材71級應力范圍15.8990.5270.131損傷比7.85×10-122.24×10-441.12×10-57累計損傷7.85×10-12C1母材71級應力范圍12.7431.1150.878損傷比6.12×10-143.24×10-371.69×10-39累計損傷6.12×10-14D1角焊36級應力范圍11.5792.0840.335損傷比1.85×10-67.61×10-232.61×10-40累計損傷1.85×10-6E1角焊36級應力范圍10.5440.9541.02損傷比2.35×10-72.61×10-301.14×10-29累計損傷2.35×10-7根據ⅠⅠW-2015標準，計算各工況下薄弱部位的疲勞損傷值。下表給出三個工況下的累積損傷值，表中應力單位為MPa。2車體強度分析

編號焊接形式/FAT級計算項目工況1工況2工況3工況2A2母材71級應力范圍1.32625.9032.104損傷比1.47×10-353.67×10-73.78×10-31累計損傷3.67×10-7B2母材71級應力范圍1.46724.6481.875損傷比1.36×10-341.23×10-73×10-32累計損傷1.23×10-7C2母材71級應力范圍0.87116.8640.991損傷比1.42×10-392.91×10-112.42×10-38累計損傷2.91×10-11D2母材71級應力范圍0.13912.0280.654損傷比4.14×10-571.72×10-142.59×10-42累計損傷1.72×10-14E2角焊36級應力范圍0.6798.5070.234損傷比1.47×10-332.09×10-99.74×10-44累計損傷2.09×10-92車體強度分析

編號焊接形式/FAT級計算項目工況1工況2工況3工況3A3母材71級應力范圍1.1283.24440.557損傷比4.18×10-375.18×10-277.05×10-3累計損傷7.05×10-3B3母材71級應力范圍0.091.03119.244損傷比2.91×10-615.79×10-385.31×10-10累計損傷5.31×10-10C3角焊36級應力范圍2.0970.78418.276損傷比8.73×10-233.47×10-320.042累計損傷0.042D3角焊36級應力范圍0.1730.65111.445損傷比1.27×10-465.82×10-341.43×10-6累計損傷1.43×10-