CRH3动车组铝合金车体强度研究.pdf

龙源期刊网CRH3动车组铝合金车体强度研究作者：杨翠芝张庆刚来源：《科学与财富》2016年第16期摘要：本文主要介绍了CRH3铝合金车体的结构特点，通过静强度计算和静强度试验，验证了CRH3铝合金车体能够满足EN12663车体结构及要求，从而保证了CRH3铝合金车体的安全性、可靠性和舒适性。关键词：铝合金车体；结构；强度一、概述铝合金车体经过了近50年的发展，先后经历了板梁结构铝合金车体、板梁和型材混合结构铝合金车体、筒型大型中空铝型材结构铝合金车体3个阶段发展过程。CRH3高速动车组的车体承载结构采用车体全长的大型中空铝合金型材组焊而成，为筒型整体承载结构。本文对车体进行强度分析，通过静强度计算和试验，验证了CRH3铝合金车体能够满足EN12663车体结构及要求。二、铝合金车体介绍车体采用铝合金车体，由13种铝合金挤压型材纵向焊接而成一个整体承载筒形结构。提供所需的承载功能，包括自重、载重和整备载荷。所用的铝合金型材为6xxx和5xxx系列轻型铝合金，符合EN573、EN755和EN485系列标准。铝合金材料需具有强度高、焊接性好、挤压加工性能好等特性。车体结构的设计使用寿命为20年。车体是由底架、侧墙、车顶、端墙组成为一个整体，对于头车还设有司机室。由于变压器车（TC02/07）与其它车相比，重量最大，且变压器用螺栓吊装在车体的底架边梁下，吊装部件重量最大；在其它方面，TC02/07与中间车具有相同性（高顶、端门、空调单元的开口、底架前端等）。平顶是最大平顶，附件最多，因此本文选取TC02车为具体分析对象，依据EN12663标准，利用I-DEAS软件对铝合金车体进行分析，对其在各种工况下车体的强度进行分析计算，绘制车体结构的变形图，进行应力分析，确定高应力区所在位置。对铝合金车体进行有限元分析为车体结构改进及后续的优化将提供可靠的依据，进行振动模态分析，并通过静强度试验来验证强度计算和车体结构的设计合理性。三、车体静强度和模态计算材料1和许用应力龙源期刊网材料静强度值必须低于材料的屈服极限，或者在应力集中区域在载荷撤离后不发生塑性变形。计算模型2模型处理2.1计算采用I-DEAS软件。模型处理的关键是铝合金型材的建模技术，采用实体单元则计算容量太大，可行的对策是将其全部离散成薄壳单元，同时采用刚度等效原理来处理不同型材的搭接和嵌入。由于该车结构沿纵向基本对称，所受载荷除顶车工况外都为对称或反对称，故在强度计算时采用半车模型，而在顶车工况和模态计算时采用整车模型。最后半车模型共划分为105489个壳单元、83260个结点。计算载荷工况2.2本次计算中工况如下：）垂直1静载工况：FZ=1.0xg（xm1+m4）；2）最大垂向载荷：FZ=1.3xg（xm1+m2））车体3一位端起吊：FZ=1.1xg（xm1+m3）；4）车体二位端起吊：FZ=1.1xgx（m1+m3））车体5两端起吊：FZ=1.1xg（xm1+2m3）；6）车钩拉伸工况：FX=1000kN）车7钩压缩工况：FX=1500kN；8）地板面上方150mm压缩工况：FX=400KN，车钩位置施加约束）车9窗框处压缩工况：FX=300KN，车钩位置施加约束；10）车顶边梁水平高度处压缩工况：FX=300KN，车钩位置施加约束；11）地板面上方150mm压缩工况：FX=400KN）12车窗框处压缩工况：FX=300KN；13）车顶边梁水平高度处压缩工况：FX=300KN）扭转14工况；15）顶车（三点支撑）工况；16）超常空气动力学压力工况）171500kN压缩与垂直静载合成工况；18）1000kN拉伸与垂直静载合成工况）空气动19力学压力与与垂直静载合成工况计算结3果及分析模态结3.1果龙源期刊网TC02车体模态频率和振型结论4.车体在纵向拉伸和压缩载荷作用时，底架前端相当于牵引梁的作用，此时前端下部盖板局部开孔的部位应力较大，侧门门角应力也较高。载荷通过连接型材传至地板后，整个地板受力均匀且应力水平较低，这说明底架前端能够将力均匀的传到底架上，避免了传统牵、枕、缓结构的应力集中区域。车体一阶垂向弯曲频率为18.48Hz，根据有关资料，整备状态后车体弯曲振动频率会降低30%左右，由此本车整备后一阶垂向弯曲振动频率约为12.9Hz，能满足车体最低弯曲振动频率大于10Hz动态设计准则的要求。根据静强度计算结果，应力较高的部位在静强度试验中重点测量。四、车体静强度试验验证试验1结果在2008年2月到5月对铝合金车体进行了车体强度试验，通过试验验证了计算模型的准确性。根据静强度计算的结果进行静强度试验的应变片贴片，共贴应变片120处，其中底架37处，侧墙4处，端墙1处，车顶10处，门口20处，窗口48处。考虑到静强度计算得到的门角、窗角和前端应力较高，因此在这几个部位重点测试。