快捷行包车车体结构分析毕业设计论文Word格式文档下载.docx

快捷行包车车体结构分析毕业设计论文Word格式文档下载.docx

《快捷行包车车体结构分析毕业设计论文Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《快捷行包车车体结构分析毕业设计论文Word格式文档下载.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

软件方面，对于高速货车我们需要的人才很多，在运输组织方面，需要掌握高新科技的新型人才规模庞大，需要各个部门相互配合，能够培养出更多的专业人才。

同时对于我们运输的货物需要进行必要的整编，能够更快捷的将物流效率提高。

随着我国经济建设的发展，铁路运输问题日益突出。

近年来，随着我国铁路提速和重载技术的发展，部分铁路货车的主要结构及零部件出现了不同程度的损坏，没有达到正常的使用年限。

因此，需要经过有效设计，使车体强度符合规定，让材料强度得到充分的利用。

铁路早期的货车基本上都是两轴车，随着载重的增加也曾出现过少量的三轴车。

两轴车由于结构简单和维修方便，至今在欧洲轻型货车中仍占有一定的比例。

随着车辆运行速度提高、载重的增加和良好曲线通过性能的需要，在19世纪后期开始出现货车转向架。

转向架在铁路机车车辆上的运用可以追溯到19世纪40年代，其最早是用于美国铁路客车，后传入欧洲及其他国家。

货车由于使用了转向架，单车载重量从25t左右提高到60t左右。

如今，世界上铁道货车基本上以装有转向架的货车为主。

法国国铁于20世纪80年代研制成功了适用于时速为160km/h高速货车。

进人20世纪9O年代，德国联邦铁路（DB）在高速铁路线上成功开行了时速为250km的ICE高速客车。

为充分利用线路和加快货物运输，德国联邦铁路要求在客运间隙和夜间开行速度为16Okm/h的快速货运列车。

为此，德国Talbot工厂研制了一种运行速度为160km/h的高速货车转向架。

近年来美国研制出新型高速货车，其最大运行速度可达160km/h，在北美国家得到了较好的应用。

但是其在欧洲以及其他一些类似的国家受到制动距离的限制。

通过以上的内容可以看出，研究我国国产高速货车已是迫在眉睫。

当前必须增加铁路货运的能力才能保住铁路的市场占有率，才能带来新的、更大的发展，从而适应国内外铁路科技的发展。

1.3论文研究内容

针对我国高速铁路货运的发展瓶颈，本论文以研究高速货车车体为主线，对车体进行静强度、疲劳强度与模态的分析。

同时，通过对EN和铁标的学习，了解关于静强度、疲劳强度的相关规定，利用有限元方法进行车体应力分析，并对车体的静强度、疲劳强度进行了评价。

最后求解车体模态。

本论文主要针对快速行包车车体进行强度与模态分析。

其中静强度计算需要在三种不同的工况下完成。

分别是工况1：

垂向总载＋侧向力＋扭转＋纵向拉伸1125KN；

工况2：

垂向总载＋侧向力＋扭转＋纵向压缩1400KN；

工况3：

垂向静载＋纵向压缩2250KN。

分别找出三种不同工况下车体的应力集中区域，并提出修改意见。

疲劳强度主要的是使用AAR机务标准和相关S-N曲线参照“BSEN1993-1-9:

2005Eurocode3:

钢结构设计规范”预测了车体疲劳寿命。

模态分析是利用ANSYS分析出车体每一个模态具有特定的固有频率和振型。

1.4本章小结

本章主要了解高速货车的研究背景和意义，国内外高速货车的研究现状，引出本论文的研究方向。

第2章基础理论

2.1hypermesh介绍

Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。

　在CAE工程技术领域,Hypermesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格划分前处理功能和后处理功能。

一般来说，CAE分析工程师80%的时间都花费在了有限元模型的建立，修改和网格划分上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上，所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。

HyperMesh是一个高性能的有限元前后处理器，它能让CAE分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。

与其他的有限元前后处理器比较，HyperMesh的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维CAD几何模型（UG,Pro/E,CATIA等）已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得CAE分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算工作上去。

同样，Hypermesh也具有先进的后处理功能，可以保证形象地表现各种各样的复杂的仿真结果，如云图，曲线标和动画等。

在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，HyperMesh具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。

其他很多有限元前处理软件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情况下并不能够成功导入模型，这样后续的CAE分析工作就无法进行；

而如果采用Hypermesh，其强大的几何处理能力使得Hypermesh可以很快的读取那些结构非常复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了CAE分析工程师的工作效率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解[11]。

2.2ANSYS介绍

ANSYS是一个融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：

航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等[12]。

软件主要包括三个部分：

前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

2.3静强度理论

静强度分析研究结构在常温条件下承受载荷的能力，通常简称为强度分析。

静强度除研究承载能力外，还包括结构抵抗变形的能力（刚度）和结构在载荷作用下的响应（应力分布、变形形状、屈曲模态等）特性。

静强度分析包括下面几个方面的工作。

①校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求，其准则为：

若强度过剩较多，可以减小结构承力件尺寸。

对于带裂纹的结构，由于裂纹尖端存在奇异的应力分布，常规的静强度分析方法已不再适用，已属于疲劳与断裂问题。

②校核结构抵抗变形的能力是否满足强度设计的要求，同时为动力分析等提供结构刚度特性数据，这种校核通常在使用载荷下或更小的载荷下进行。

③计算和校核杆件、板件、薄壁结构、壳体等在载荷作用下是否会丧失稳定。

有空气动力、弹性力耦合作用的结构稳定性问题时，则用气动弹性力学方法研究。

④计算和分析结构在静载荷作用下的应力、变形分布规律和屈曲模态，为其他方面的结构分析提供资料。

静强度分析的内容也可通过静力试验测定或验证。

传统的强度计算方法已不能满足需求，各种新方法和新手段正在获得发展。

有限元法正在逐步取代用工程修正系数的半经验的传统方法，已经成为设计中的常规方法。

结构分析系统是实现有限元素法数值计算的电子计算机软件包。

应用有限元素法和结构分析系统,有可能在具体设计中对复杂结构进行弹-塑性分析、非线性分析、最优化分析等，从而取得更符合实际的结果。

对于复合材料结构则需要建立新的强度理论、准则和分析方法。

2.4疲劳强度理论

疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下，不产生破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。

实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。

机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。

在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

　　一般试验时规定，钢在经受107次、非铁（有色）金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。

当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用σ–1表示。

许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。

据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

2.5模态分析理论

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；

如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。

通常，模态分析都是指试验模态分析。

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。

通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。

因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。

机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。

模态分析提供了研究各类振动特性的一条有效途径。

首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。

用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。

根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。

2.6本章小结

理论基础作为实践的前提，能够更加有效的帮助本论文向着正确的研究方向前进。

本章通过对hypermesh、ANSYS、静强度、疲劳强度、模态分析知识的学习，将所学内容运用到本论文的研究中去。

第3章模型建立与载荷计算

3.1车体结构及材料简介

160km/h行包车车体材质为钢材，其中牵引梁乙型钢材采用高强度耐候钢Q450NQR1，其它底架主要型钢、地板、门框、侧墙角柱采用09CuPCrNi-A，侧墙板、端墙板和顶板等采用05CuPCrNi，侧墙、端墙及车顶主要型钢采用09CuPCrNi-B。

高强度耐腐蚀结构用热连轧钢板及钢带：

Q450NQR1是机械制造业使用最广泛的钢之一。

调质处理后具有良好的综合力学性能。

用途举例：

产品供制造集装箱、铁道车辆、环保设备、工程机械、建筑钢构、结构件的焊接制造。

耐腐蚀结构钢是在钢中加入少量的合金元素，如Cu、P、Cr、Ni、等。

使其在金属基体表面形成致密的、粘附性好的非晶态氧化层保护膜，从而使钢的腐蚀过程几乎不能深入进行，时间越长保护膜越致密，耐蚀作用越明显，具有较高的耐大气腐蚀性能，它比一般裸露金属结构钢性能更好。

09CuPCrNi用途举例：

用于各种交通车辆、工程机械、塔架、集装箱，结构件的焊接及制造。

05CuPCrNi用途举例：

主要是用于防止恶劣天气，如酸雨、日晒、等，在室所架高的电线塔，信号塔基站等等

具体材料应力评判标准如下表3-1。

表3-1材料许用应力表

材料材质

TB第一工况

许用应力（MPa）

TB第二工况

Q450NQR1高强度耐候钢

281

382

09CuPCrNi

184

250

3.2有限元模型

本论文先对车体的模型进行网格划分。

由于车体在整体上是对称的，为了减少建模时间，加快研究进度，首先需将车体分割为原来的1/4。

图3-1原车体模型

采用板壳和实体单元对结构进行离散，模型统计数据列于下表3-2中。

表3-2模型统计数据

单元类型

Shell63

Combin14

Solid45

单元尺寸

40

/

20

单元数

171144

64

19888

结点数

163225

图3-21/4车体网格划分图

通过网格划分处理使得计算的结果更加精确。

3.3载荷工况

对网格划分处理完后，将文件导入到ANSYS中来。

根据不同的工况确定载荷步的添加。

图3-3ANSYS车体全图

3.3.1静强度计算工况

静强度计算工况：

根据“TB/T1335-1996”的有关内容，确定该车体的计算载荷。

工况1：

垂向总载＋侧向力＋扭转＋纵向拉伸1125KN

垂向总载＋侧向力＋扭转＋纵向压缩1400KN

垂向静载＋纵向压缩2250KN[7]。

根据运算工况需求，静强度只需要四个载荷步。

载荷步1：

垂向总载687.5KN+纵向拉伸1125KN（见图3-4）

载荷步2：

垂向总载687.5KN+纵向压缩1400KN（见图3-5）

载荷步3：

垂向静载500KN+纵向压缩2250KN（见图3-6）

载荷步4：

扭转40KN.m（见图3-7）

其中垂向静载为车辆的载重50t，g取10m/s2，垂向总载为1.3倍垂向静载。

侧向力为0.075倍垂向静载。

载荷步4中将扭矩转化为旁承上的力F=26.3KN,两旁承之间的间距为1.52m。

上述工况中：

工况1是由载荷步1与载荷步4叠加；

工况2是由载荷步2与载荷步4叠加；

工况3是载荷步3.通过载荷步的叠加，可以得到相应工况的车体应力云图。

图3-4载荷步1

图3-5载荷步2

图3-6载荷步3

图3-7载荷步4

3.3.2疲劳强度计算工况

参照AAR机务标准M-1001-97“货车设计制造规范”和“EN12663:

2000-轨道车身的结构要求”中的有关内容制定出用于该车体结构疲劳寿命分析的载荷条件。

参照AAR机务标准M-1001-97“货车设计制造规范”第7章“货车的疲劳设计”中的载重50t行包车载荷谱（垂向心盘浮沉谱、纵向车钩谱及车体扭转谱）进行了校核。

垂向心盘浮沉载荷谱：

对车体承载面施加垂向载荷，通过约束心盘面来模拟心盘浮沉载荷，载荷谱由AAR机务标准中载重50t行包车的重车心盘载荷线路环境事件百分率谱换算后得出。

设垂向载荷与轴重成比例，则重车垂向载荷换算系数取为0.85。

纵向车钩载荷谱：

载荷谱直接采用AAR机务标准中50吨行包车重、空车车钩载荷的线路环境事件百分率谱。

扭矩载荷谱：

对车体对角两旁承位置施加垂向载荷来模拟车体扭转载荷，载荷谱参见AAR机务标准中载重50t行包车的重﹑空车扭矩载荷线路环境事件百分率谱。

1载荷谱下的疲劳寿命预测

依据“BSEN1993-1-9:

钢结构设计规范”，采用疲劳应力范围方法进行该车体疲劳强度评价与寿命预测。

该规范在大量疲劳试验结果的基础上，根据2×

106等幅疲劳强度

试验结果将各种典型焊接接头划分为14个强度等级，并按等级设定了疲劳设计曲线、应力范围的截止极限

及等幅疲劳极限

，此处的应力范围为不含应力集中成分的名义应力值，其应力范围-疲劳寿命曲线（S-N曲线）如图3-8所示。

图中不同的S-N曲线对应于不同的焊接接头和焊接细节。

应力范围—寿命曲线（

曲线）定义如下：

，其中m=3，当N<

5×

106时（3-1a）

，其中m=5，当5×

106≤N≤108时（3-1b）

，变幅载荷下的截止极限（3-1c）

对于变幅应力情况，当应力谱中的应力范围最大值不超过

时，表示结构为永久疲劳寿命。

若超过此限度，则以雨流计数法统计

的产生频度分布，推算在使用期间内各级应力范围

及其产生次数

，使用疲劳设计曲线，根据Miner线性累积疲劳损伤法则计算累计损伤度，并由此对应力产生次数（疲劳寿命）进行评价（见图3-8和图3-9）。

根据EN12663中5.2项的规定，对车体钢结构：

在变幅载荷谱下，采用图3-9的S-N曲线进行疲劳寿命预测；

在恒幅载荷下，取疲劳极限应力范围进行疲劳强度评定，疲劳极限应力范围取为S-N曲线中循环次数为2×

106下的应力范围。

图3-8基准S-N曲线（EN1993-1-9：

2005）

图3-9疲劳寿命预测方法

首先，进行车体在垂向静载荷﹑纵向100t拉伸载荷、纵向100t压缩载荷和40KN•m扭转载荷下的有限元应力分析；

其次，按线性关系由重﹑空车垂向浮沉载荷谱、纵向载荷谱和扭转载荷谱分别换算出车体各处在这些载荷谱作用下的应力范围谱，然后选用与车体结构焊接接头和焊接细节相当的疲劳S-N曲线，采用疲劳损伤理论估算车体在这些单一载荷下的疲劳损伤。

疲劳寿命估算的步骤见图3-10。

图3-10一般载荷下的疲劳寿命预测步骤

根据AAR标准中给出的疲劳分析流程，结合有限元数值分析法,运用下述分析流程，可以计算出漏斗车车体结构的疲劳寿命值。

（1）将预测对象离散成有限元模型，并指定具体待评估点的位置；

（2）选定合适的载荷谱；

（3）根据载荷谱中的指定值加载到有限元模型上，从而获得标定的应力分布；

（4）根据载荷谱的变化规律，获得预测对象的动应力分布；

（5）按照AAR标准的要求，将评估点的双向应力等效处理；

（6）根据该点应力变化情况，求其循环特性；

（7）根据该点所在焊接接头型式，从AAR标准中选择修正Goodman图及S-N曲线的参数；

（8）根据Miner损伤累计理论逐次计算待评估点的疲劳寿命。

2一般载荷下的的应力计算结果

在垂向静载荷﹑纵向100t拉伸﹑100t压缩载荷及扭转载荷下进行车体结构有限元应力分析，载荷如下：

1垂向静载荷（见图3-11）

2100t纵向拉伸载荷（见图3-12）

3100t纵向压缩载荷（见图3-13）

440KN·

M扭转载荷（见图3-7）

图3-11垂向静载

图3-12100t纵向拉伸

图3-13100t纵向压缩

3.4本章小结

本章主要是对车体进行网格划分，载荷工况的划分与施加，将复杂的问题具体化，对任务进行剖析，本章是后面分析计算的基础。

第4章计算分析结果

4.1静强度计算

计算静强度使用上述的三种工况。

其中工况1=载荷步1+载荷步4，工况2=载荷步2+载荷步4，工况3=载荷步3

通过ANSYS施加载荷后计算可以得到以下的应力图：

其中图4-1至图4-6为车体在以上三种工况下的应力云图。

图4-1工况1应力云图

图4-2工况1最大应力发生部位局部应力云图

图4-3工况2应力云图

图4-4工况2最大应力发生部位局部应力云图

图4-5工况3应力云图

图4-6工况3最大应力发生部位局部应力云图

表4-1静强度工况应力计算结果

合成工况

最大应力分布

材料许用应力（Mpa）

工况（与应力图对应）

位置

应力（MPa）

垂向总载+侧向力＋扭转＋1125KN拉伸

牵引梁端部腹板

264

垂向总载+侧向力+扭转+1400KN压缩

牵引梁下翼缘

240

静载＋2250KN压缩

380

从表4-1得出如下结果：

工况1和工况2的安全系数为1.1和1.6，工况3的某些区域会接近疲劳极限，应对其进行优化处理。

4.3疲劳强度计算

疲劳强度分析：

采用疲劳极限方法进行该车体疲劳强度的评价。

该车体材质为钢材，对于钢材料，疲劳极限的最小循环数是2×

106，因此，评价标准选用2×

106循环所对应的数据。

单一疲劳载荷下疲劳强度计算结果

在结构模型上分别施加上述所列疲劳载荷工况，通过对车体各部位的疲劳强度进行效验，一些关键部位的应力云图一并列于图4-7～4-15中。

其中疲劳极限的选取参考“铁路货车车体疲劳设计与