不锈钢车体激光焊连接的模拟方法及强度评估

采用有限元分析方法研究不锈钢车体侧墙激光焊连接的模拟方法与强度分析问题。首先,分别建立实体单元、薄壳单元及梁单元模拟半熔透搭接激光焊连接强度的分析模型,以及梁单元模拟不同焊缝长度的分析模型,并在相同计算条件下,通过对比分析确定了适用于复杂结构激光焊连接强度分析的焊缝单元类型;其次,基于GB/T 37778—2019和接头疲劳试验数据及不同焊缝长度模型的分析结果,总结适用于复杂结构激光焊连接静强度与疲劳强度的评估方法;再次,建立某弧焊-点焊-激光焊的不锈钢车体结构强度分析模型;最后,在EN 12663-1:2010+A1:2014规定的静态与动态载荷工况作用下,分析不锈钢车体侧墙激光焊连接强度。结果表明:AW3状态车钩压缩工况的车体侧墙中部上边梁区域的激光焊梁单元的最小安全系数为1.03;车体侧墙激光焊区域的梁单元的计算剪应力变化范围均远低于106次和107次的疲劳强度值,侧墙激光焊连接疲劳强度冗余大。

考虑焊接质量的铝合金车体关切焊缝的疲劳寿命预测

利用裂纹扩展分析方法和质量分类法研究铝合金车体含缺欠焊接结构的疲劳寿命问题。首先,研究IIW:2015的基于Paris定律的裂纹扩展分析的理论基础和BS 7910:2019的基于考虑焊接缺欠质量的S-N曲线的质量分类法的算法原理;其次,归纳总结了这2种方法进行考虑焊接质量的焊接结构疲劳寿命评估流程;再次,在疲劳载荷作用下,基于BS EN 1999-1-3:2007的名义应力法对某动车组铝合金车体进行疲劳分析,确定车体疲劳关切焊缝部位;最后,分别利用裂纹扩展分析方法和质量分类法对车体关切焊缝侧门下角进行考虑初始裂纹的疲劳寿命评估。结果表明:基于质量分类法的剩余寿命为1.4×106次,基于裂纹扩展分析法的剩余寿命为2.64×106次。

焊接结构随机振动疲劳分析方法研究与应用

针对焊接结构在服役过程中承受的随机动载荷频率与结构固有模态频率接近时,接头可能发生疲劳破坏,使传统单轴静载疲劳分析方法不再适用的问题,提出评估焊接结构的多轴随机振动疲劳分析方法。该方法将时域激励信号转化为自谱和互谱,并结合模态分解与结构应力方法,得到包括结构正应力与剪应力的自谱和互谱,基于路径依赖的最大范围法原理得到等效结构应力的功率谱,最后通过Dirlik模型计算出结构损伤和振动疲劳寿命。以某高速货车为例进行疲劳寿命分析与改进校核,验证了该方法可进一步提升焊接结构疲劳寿命预测的时效性和准确性。

轨道车辆复杂承载焊接结构的抗疲劳设计

从焊接接头疲劳的独有特征出发,基于结构应力研究轨道车辆复杂焊接结构的抗疲劳设计方法。利用标准中典型焊接接头疲劳试验数据和有限元分析,研究焊缝余高、被焊接部件坡度、承载方向及焊缝熔透等对焊接接头应力的影响。结果表明:这些影响因素最终都体现到焊接接头传力路径上的刚度变化,致使焊接接头应力增大或出现应力集中现象,进而降低了焊接接头疲劳强度。在BSEN 13749:2011规定的载荷作用下,分析某货车转向架焊接构架焊接接头结构应力的变化规律,识别出构架应力集中发生部位。提出以缓解设计阶段应力集中为目标的承载焊接结构抗疲劳设计原则,并基于这些原则对构架局部进行的优化,有效地缓解了焊缝的应力集中。

考虑初始变形的煤炭漏斗车车体结构屈曲分析

采用非线性分析技术研究漏斗车车体在承受散粒货物和纵向压缩载荷作用时,由散粒货物引起的垂直于侧、端墙方向的变形会使车体的结构稳定性降低。首先,利用具有修正的D-P本构模型的实体单元模拟散粒煤,并建立散粒煤单元与车体结构的接触关系,通过接触非线性分析获得重车车体侧、端墙的位移结果,并将其与基于AAR标准中散粒货物对侧、端墙的压力公式得到的位移进行对比分析,进而分区域修正侧、端墙的压力公式;其次,在车钩纵向压缩作用下对车体进行线性屈曲与考虑初始变形的非线性屈曲分析,侧墙和端墙的最小线性屈曲因子分别为0.89和0.52;非线性屈曲的结果表明,侧墙临界载荷为3 550 kN,比线性屈曲的降低了10.4%;端墙临界载荷为1 780 kN,比线性屈曲的降低了23.1%;应用修正后压力公式施加散粒煤对车体的作用,端墙的压力修正区域B的非线性屈曲临界载荷比应用修正前压力公式的增大了14.9%;最后,针对侧、端墙局部屈曲因子低的区域,分别提出了增强横向刚度和纵向刚度的补强方案,补强后侧、端墙结构的屈曲因子均可提升至1.0以上;应用修正后压力公式的侧、端墙临界载荷提高至4 092、3 164 kN。

高速磁浮列车复合材料车体部件强度分析及结构优化

利用有限元分析与结构优化技术,研究高速磁浮列车复合材料车体部件强度问题。依据复合材料结构和力学特征,建立某高速磁浮列车复合材料车体强度分析模型;基于系统动力学和空气动力学分析结果,确定车体与走行机构之间的接口载荷及车体表面承受的气动载荷;运用BS EN 12663:2010标准和Tsai-Wu失效准则对车体结构进行强度分析。结果表明:车体结构强度满足设计要求,其中碳纤维头罩结构的最大Tsai-Wu失效因子仅为0.154;为充分挖掘复合材料的潜能,分别以柔度、质量和铺层顺序为目标函数,对碳纤维头罩进行自由尺寸优化、尺寸优化以及层叠次序优化,最终获得最佳铺层顺序为45°/-45°/0°/90°/90°/0°/45°/-45°/45°/-45°;优化后碳纤维头罩比与优化前质量减轻了28.9%;将优化后的头罩映射到整车车体并进行强度分析,碳纤维头罩的最大Tsai-Wu失效因子为0.163。

高速列车结构振动噪声预测与降噪技术研究

基于有限元法和边界元法以及声传递向量,运用ANSYS软件和SYSNOISE软件研究高速列车车体的结构模态与室内声腔声学模态,仿真分析高速列车结构—声场耦合系统的低频噪声,并对铺设吸声材料和涂敷阻尼材料的车身部件进行声学贡献分析,为高速列车的减振降噪提供理论依据。对某高速列车拖车的仿真分析结果表明:该车声学测试点的总声压级超出了TB 1809—86标准拖车客室的容许噪声值;在某些计算频率下,车体某些部件涂敷阻尼材料后对客室测试点的声学贡献由小变大,这说明阻尼材料不仅改变了这些部件的振动幅值,同时也改变了振动相位。因此,在采用阻尼材料减振降噪时,应对车体板件进行声学贡献分析,充分考虑阻尼材料对测试点声压级的影响,有针对性地采取措施,降低乘客室内噪声。

基于美国ASME标准的重载货车车体焊缝疲劳寿命预测

为寻求在设计阶段能较准确地预测重载货车车体焊缝的疲劳寿命评估方法,基于各种标准提供的分析方法对转炉616装甲钢T型焊接接头进行疲劳评估,通过与试验的对比表明,美国ASME标准中的等效结构应力法更能准确预测焊缝的疲劳寿命。为提高某重载运煤敞车车体焊缝的疲劳寿命,建立了包括焊缝在内的敞车车体有限元模型,基于等效结构应力法和AAR标准中的载荷谱,预测了车体关键焊缝的疲劳寿命,其薄弱部位与车体实际发生疲劳裂纹部位基本吻合,依据焊缝的结构应力分布规律的特点,提出的枕梁改进结构可使车体关键焊缝疲劳寿命提高1.7倍。

不锈钢点焊结构车体FEA建模方法

针对不锈钢车体点焊结构的“点传力”特性,提出了位移主-从约束关系建模思想,并通过数值试验验证了采用位移主-从约束关系来模拟焊核比现有其它的模拟方法具有更高的精度.以城市轻轨动车组不锈钢点焊车体为应用对象,基于位移主-从约束关系建立了该车车体的有限元模型,计算结果与试验测试结果基本一致,证明了模型的正确性,为今后该类车型的设计与开发打下了良好的技术基础.

铁路客车室内噪声预测与控制技术研究

为探索铁路客车室内低频噪声预测分析与控制的可行办法,提高车室内噪声品质,本文基于有限元和边界元结合的方法给出了铁路客车结构-声场耦合系统振动分析模型的建模方法;通过对比分析结构振动模态、车室内空腔声学模态以及结构-声场耦合系统模态的相关性,澄清车室内噪声形成机理;对客车结构-声场耦合系统在0 Hz^200Hz频率范围内进行谐响应分析之后,确定了室内噪声观测平面及测试点在不同频率下的声压级,通过对客车车身面板声学贡献度的分析,确定主要噪声源和对内部声场影响较大的面板,为降低噪声而试图对客车结构进行修改提供了理论依据。

基于统计能量法的铁路客车室内高频噪声预测与控制

建立了某客车卧铺车厢的整车统计能量分析模型,通过施加轮轨噪声源激励载荷对该车室内噪声水平进行了预测,500 Hz^2500 Hz频率范围内SEA模型的计算结果与实测值的误差在4dB(A)以内。通过包厢壁板对内部声腔的功率输入贡献分析,澄清了地板振动是包厢内低频噪声的主要贡献者,缝隙泄漏则是室内高频噪声的主要贡献者。依据对不同类型地板降噪能力的对比分析以及缝隙面积大小对室内噪声的影响分析,对该车经降噪治理后,室内声压级可降低2dB(A)~3.2dB(A)。

基于敏度信息的铝型材高速车体轻量化研究

针对通用优化算法难于对铝型材高速车车体进行轻量化这一现状,本文在创建了一个可靠的有限元分析模型之后,基于敏度分析技术,给出了一系列关于设计变量的导数信息。这些导数信息与设计专家知识以及成功经验相结合,最终提出了一个新的结构减重方案。该方案不仅可行,降低重量13.5%,而且为基于知识的设计提供了一个成功的案例。

铰接式轻轨客车车体结构强度的精细分析

为设计满足EN12663-2010标准性能要求的铰接式轻轨客车车体,提出了车体结构静强度精细分析方法和车体焊接接头应力集中分析与疲劳寿命预测方法.以某出口铰接式轻轨客车铝合金车体为研究对象,首先建立了铰接车体整体结构的一级薄壳单元有限元模型;并在车体一级有限元模型分析的基础上,采用子模型技术与非线性接触技术相结合的方法构建了车体铰接模块的二级有限元模型,经接触非线性数值试验,优选出合理的铰接模块设计方案.采用美国ASME-2007标准的主S-N曲线法,对铰接车体焊缝进行了应力集中分析与疲劳寿命预测,识别出了焊接接头疲劳寿命的薄弱部位.借助焊缝结构应力的分析,提出的改进方案焊缝寿命比原始方案提高了2.49倍.

客车车体碰撞吸能结构优化设计方法研究

为实现车辆吸能部件结构优化,提出一种将建模软件I-DEAS、碰撞软件ANSYS/LS-DYNA和多学科优化软件ISIGHT有机结合在一起的优化设计方法。将第一次成功碰撞仿真的ANSYS/LS-DYNA模型的批处理命令流从后台调到前台,再按照ISIGHT语义要求,在命令流文件中定义优化目标,设计变量及约束条件,然后采取遗传算法(GA)和序列二次规划算法(SQP)的组合优化方案,对吸能结构进行优化设计。以某地铁车车体为应用对象,给出该方法对地铁车车体吸能部件结构优化设计的全过程,获得了车体端部合理的吸能结构。

高速动车组铝合金车体性能的深入研究

依据BS EN12663-1(2010)、BS EN1999-1-1(2007)、TB/T1335-96以及"200 km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定",归纳总结了高速动车组铝合金车体结构设计的基本要求.借助有限元分析仿真技术与物理样车试验相结合的方法,研究了我国自主研发的高速动车组车体结构刚度、强度、振动品质以及典型横断面形状与截面物理特性的变化关系,为高速动车组铝合金车体详细设计提供理论依据.

客车车身结构侧翻过程数值模拟

客车车顶塌陷侵入性变形是客车侧翻时造成严重人员伤亡的主要原因.依据客车侧翻试验标准,基于非线性有限元数值方法研究客车车身结构的被动安全性.在数值模拟客车侧翻过程中,采用刚体—弹性体转化技术,既加快求解速度,同时又可以采用更小的时间步长得到更精确的结果.某客车车身结构侧翻碰撞数值仿真结果表明:客车上部结构不满足法规ECE R66的要求,应增强该部位结构的刚度,确保最大生存空间以保护乘客生命安全.

货车焊接结构疲劳寿命预测研究

基于国际焊接学会标准和英国标准,结合有限元静强度结果和实测载荷谱,对某出口运煤车车体关键部位典型焊接接头形式进行了疲劳寿命对比分析。结果表明,合理选择焊接接头形式和焊接工艺可以成倍地提高结构的疲劳寿命。

铁路客车结构—声耦合系统的声学特性

随着轨道车辆行业的高速发展,客车室内的噪声特性已成为衡量其质量的重要标志之一.由于车室内噪声不仅与结构的振动特性有关,还与系统声学特性有密切关系.为此以某型客车为研究对象,创建了客车室内结构—声耦合的有限元模型,分别对车身结构模型、室内空腔声学模型以及车体结构—声耦合模型进行了模态分析和频响分析,研究室内低频噪声的形成机理,得到室内声场的分布规律,可为提高室内低频噪声品质而进行的声学设计研究提供依据.

不锈钢点焊车体结构稳定性分析及局部焊点布局优化

为研究不锈钢点焊车体结构的失稳性问题,首先创建某不锈钢点焊地铁车车体结构有限元模型;在EN12663-2010标准提供的压缩载荷作用下,对车体结构进行稳定性分析,指出车体发生屈曲失稳的部位;然后,对车体失稳部位进行局部结构改进并利用子结构技术和变密度法对车体局部焊点进行布局优化;最后,基于焊点优化结果更新车体模型中的焊点布置,并重新进行稳定性分析,结果表明:车体失稳部位的屈曲因子大于1.5.

关于提高CAE性能仿真置信度的思考

随着市场对产品研发周期要求越来越短,性能要求越来越高,CAE性能仿真技术也获得了越来越广泛的应用,然而关于应用中的置信度问题的争论并没有停止。针对这一事实,文章在扼要地概括了CAE性能仿真坚实的理论基础之后,着重地指出了应用中的置信度关键在于计算模型的质量。关于提高模型质量,文章给出了具体建议,并用三个典型的应用实例证明了仿真的质量对提高CAE性能仿真的置信度至关重要。