敞车分析.docx

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敞车分析

目录

1设计对象及参数1

1.1敞车介绍1

1.2敞车参数1

1.3敞车结构2

2基本理论3

2.1有限元的基本理论3

2.2软件介绍4

3计算模型

3.1几何模型6

3.2有限元模型7

4位移约束8

5工况载荷10

5.1工况10

5.2加载步骤10

6计算求解12

6.1求解步骤12

6.2分析结果12

6．2．1强度分析12

6．2．2刚度分析14

7结论15

8设计心得16

9参考文献17

1设计对象及参数

本次设计对象为A型敞车。

1.1敞车介绍

敞车是指具有端壁、侧壁、地板而无车顶，向上敞开的货车，主要供运送煤炭、矿石、矿建物资、木材、钢材等大宗货物用，也可用来运送重量不大的机械设备。

若在所装运的货物上蒙盖防水帆布或其他遮篷物后，可代替棚车承运怕雨淋的货物。

因此敞车具有很大的通用性，在货车组成中数量最多，目前全路共有敞车约30万辆，约占货车总数的50％以上。

主型通用敞车有C61、C62、C62A、C62B、C64K、C70、C70B、C70H、C76H（大秦线编组列车）等。

1.2敞车参数

载重

60t

车体长

12500mm

车体宽

2890mm

车体高

2000mm

容积

72.25m³

定距

9000mm

横带间距

500mm

限界

符合GB146.1-83《标准规矩铁路机车车辆界限》规定

1.3敞车结构

底架组成部分及数量

钢材型号

尺寸（mm）

中梁*1

乙型钢

310*186*12*125*18

端梁*2

角钢

7*310~240*70

枕梁*2

箱型钢

8*450

8*310~240

12*450

宽处450、窄处400

小横梁*2

12槽钢

大横梁*1

工型刚

8*140

6*310~240

8*140

地板

钢板

厚度8

车体组成部分及数量

钢材类型

尺寸

侧柱*12

梯形钢

220*198*72*7

角柱*4

角钢

160*160*10

上端梁*2

14a槽钢

140*58*6

上侧梁*2

14a槽钢

140*58*6

侧柱连铁*2

12槽钢

120*3*5.5

横带*6

槽钢

280*78*7

斜撑*24

角钢

75*50*6

侧板

钢板

厚度5

端板

钢板

厚度5

2基本理论

2.1有限元的基本理论

有限元法（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：

（1）物体离散化

将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。

离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。

所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。

这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。

如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。

（2）单元特性分析

选择位移模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。

位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。

当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。

这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。

通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。

这种函数称为位移模式或位移函数。

分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。

此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。

计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。

但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。

因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

（3）单元组集

　　利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程式中，K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。

（4）求解未知节点位移

解有限元方程式得出位移。

这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。

通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是"一分一合"，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。

2.2软件介绍

本次设计采用采用的I-DEAS软件

软件介绍：

EDSI-DEAS是美国UGS子公司SDRC公司开发的CAD/CAM软件。

该公司是国际上著名的机械CAD/CAE/CAM公司，在全球范围享有盛誉，国外许多著名公司，如波音、索尼、三星、现代、福特等公司均是SDRC公司的大客户和合作伙伴。

　　该件是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。

它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。

I-DEAS是全世界制造业用户广泛应用的大型CAD/CAE/CAM软件。

I-DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。

SDRC也是全球最大的专业CAM软件生产厂商。

I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。

I-DEASCAMAND可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。

I-DEAS提供一套基于因特网的协同产品开发解决方案，包含全部的数字化产品开发流程。

I-DEAS是可升级的、集成的、协同电子机械设计自动化（E-MDA）解决方案。

I-DEAS使用数字化主模型技术，这种卓越能力将帮助您在设计早期阶段就能从"可制造性"的角度更加全面地理解产品。

纵向及横向的产品信息都包含在数字化主模型中，这样，在产品开发流程中的每一个部门都将容易地进行有关全部产品信息的交流，这些部门包括：

制造与生产，市场，管理及供应商等。

1.DigitalSimulation（数字化仿真）:

I-DEASCAE工具通过在产品开发早期阶段仿真全部产品性能来引导设计，提高产品质量，验证并优化细节设计，最大程度地减少重复制作物理样机的次数，同时降低后续加工的反复次数，识别造成现有产品质量问题的原因，制定交易计划，在产品价格和性能之间取得最佳平衡。

2.I-deas机构设计（I-DEASMechanismDesign）:

I-DEAS机构设计可集成地分析带有复杂运动副的机构运动。

利用I-DEAS装配产生的装配体、运动约束副和接触区域，根据初始运动条件，解算出运动结果。

使用了内嵌的ADAMS动态解算器，它帮助您从最初的概念设计阶段就了解机构的运动情况，包括机构的位置、速度和加速度。

让您作出更多的选择，从而得到更好的，更精确的设计结果。

3.仿真模型构造（SimulationModelingSet）:

集成环境中的有限元模型构造和结果可视化工具。

直接利用I-DEAS零件主模型或装配，或其它CAD系统输入的模型，快速地建立数字化产品仿真模型。

仿真模型和设计模型具有相关性。

4.仿真解算（SimulationSolutionSet）:

有限元解算器，包括结构的线性静态分析和结构模态分析、热传递分析和流动分析以及结构优化分析。

可以采用批处理的方式进行解算。

提供多种收敛准则定义和解算选项控制，如模型解算占用的空间和时间预估，结构刚度矩阵文件控制。

用户通过解算过程图形监控解算过程，允许终止解算。

5.非线性求解器（ModelSolution-Non-Linear）：

支持几何非线性、材料非线性、弹塑性及综合非线性分析，利用Newton-Raphson方法求解非线性方程组。

6.变量化分析（VariationlAnalysis）：

变量化分析仿真在设计初期介入设计过程，利用单一模型进行广泛的设计研究，通过一次网格划分和解算，生成手册式结果，得到多种可对比的方案。

7.响应分析（ResponseAnalysis）：

响应分析用来研究结构在静态、瞬态、谐波和随机等激励下的受迫响应，模态可以来自结构分析或测试.

8.复合铺合分析（LaminnateComposites）：

以复合铺层材料结构进行高效的设计和评估。

9.注塑冷却顾问（PartAdvisor）：

注塑过程顾问系统。

简单实用，直接对STL格式进行计算，只用定义零件的材料和模具特性以及浇注口，就可以模拟浇注模具过程中塑料流动。

可优化零件与模具的设计，以达到质量、成本和时间的最优平衡。

10.机械仿真（MechanismSim）：

分析机构在外力作用下的运动和受力。

包含机构运动（MechanismDesign）的全部功能。

11.产品寿命预测（Durability）：

预测静态载荷下产品的材料强度和疲劳安全的工具。

12.高级产品寿命预测（AdvancedDurability）：

预测静态或瞬态载荷下产品的产品寿命和疲劳破坏，包含产品寿命预测的全部功能。

3计算模型

3.1几何模型

因为模型横向纵向对称，所以建模采用1/4车体设计建模。

车体是由大量的钢板零件构成，因此需要创建大量的平面。

建模调用design-mastermodeler模块。

建模步骤：

（1）工作平面xy画出中梁和侧梁轮廓，拉伸1/2车体长度成面；

（2）分别用空间线在梁上画出梁的焊接轮廓，用trimatcurve命令剪切焊接面完成焊接；

（3）用extra、move、copy命令抽取、移动，复制线条，搭建梁的空间形状，再用sufacebyboundary命令围好各个面；

（4）底架各梁连接处形状复杂，连接好后用showfreeedges命令查看自由边是否合格；

（5）搭建上端梁、上侧梁、横带、侧柱、角柱、侧柱连铁、斜撑零件，处理好相关连接细节；

（6）围好端墙、侧墙的面，再次检查自由边。

几何模型如图1所示：

图1几何模型

3.2有限元模型

调用simulation--meshing模块对实体模型进行网格划分

建模步骤：

（1）用createFEmodel创建一个有限元模型

（2）了解整车各个零件的尺寸；

（3）用FEMgrounps命令对尺寸相同的面进行分组；

（4）用Physicalproperty命令建立板厚，包括焊接处零件叠加的板材厚度；

（5）对各分组进行不同厚度的单元划分并检验是否遗漏；

（6）用element在心盘中心处、前后从板座各建立一个刚性单元，用来模拟前后从

板座和心盘的受力；

（7）用freeelementedges显示单元自由边，看是否和实体自由边一致。

求解规模：

节点总数78474个，单元总数79965个，刚性单元3个，车体重量2.405t。

有限元模型如图2所示:

图2有限元模型

4位移约束

调用simulation--boundaryconditions模块对模型进行约束、加载。

添加约束步骤：

（1）在sets里面创建一个约束集合并设为当前；

（2）用displacementsrestraint命令分别约束对称面的所有节点，

车体纵向关于yz面对称，约束设置：

平动约束分别为X方向free，Y方向fixed，Z方向fixed；

转动约束分别为X方向fixed，Y方向free，Z方向free；

车体纵向关于xy面对称，约束设置：

平动约束分别为X方向fixed，Y方向fixed，Z方向free；

转动约束分别为X方向free，Y方向free，Z方向fixed。

（3）对称面的交接处节点约束为两个对称面约束的合成，合成结果：

平动约束分别为X方向fixed，Y方向free，Z方向fixed；

转动约束分别为X方向fixed，Y方向fixed，Z方向fixed。

（4）为了完整地约束车体，平面约束和转动约束共需要6个，所以在心盘的刚性单元

节点处添加y方向的平动约束，完成车体的完整约束。

心盘的刚性单元约束设置:

平动约束分别为X方向fixed，Y方向free，Z方向fixed；

转动约束分别为X方向fixed，Y方向fixed，Z方向fixed

完整约束如图3所示:

图3车体完整约束

5工况载荷

5.1工况

第一工况：

纵向拉伸力为1125KN，作用在车辆的前从板座上；纵向压缩力为1400KN，作用在后从板座上；

第二工况：

纵向压缩力为2250KN，作用在后从板座上；

合成工况一：

第一工况拉+垂直动载荷

合成工况二：

第一工况压+垂直动载荷

合成工况三：

第二工况压+垂直静载荷

垂直静载荷=载重（60吨）+其它（12吨）

垂直动载荷=垂直静载荷×1.3

动荷系数K=0.3

5.2加载步骤

由于采用1/4车求解，所以加载的拉伸力、压缩力均为工况要求的1/2。

（1）在sets里面新建load并设为当前，添加纵向拉伸力为1125/2KN，作用在车辆的

前从板座上。

（2）重复步骤

（1），分别创建以下载荷：

纵向拉伸力为1125/2KN，作用在车辆的前从板座上；

纵向压缩力为1400/2KN，作用在后从板座上；

纵向压缩力为2250/2KN，作用在后从板座上;

垂直静载荷[{（60t+12t）/4-车重2.405t}*10]/2000N，作用在底架各梁的节点上,

底架各梁共有2000个节点，每个节点受力77.975N。

（3）用boundaryconditionssets创建求解集合，选择约束和所有加载。

底架垂向载荷，如图4所示:

图4底架垂向载荷

后从板座压缩力载荷，如图5所示:

图5后从板座压缩力载荷

6计算求解

6.1求解步骤

（1）调用simulation-modelsolutions模块，创建求解集合，选好相应的约束载荷集，并筛选输出结果；

（2）Solve进行分析；

（3）调用simulation-processing模块，results里查看结果；

（4）推断变形趋势是否合理，校验最大应力是否超过最大许用应力；

（5）用Creatresult命令创建合成工况的结果；

（6）再次校验合成结果。

6.2分析结果

6．2．1强度分析

合成工况1分析结果：

最大应力163Mpa，位置：

大横梁与中梁的交界处。

合成工况1应力云图，如图6所示

图6合成工况1应力云图

合成工况2

初次分析结果：

最大应力215Mpa，位置：

中梁与枕梁的连接处，超出最大许用应力186Mpa；

解决方案：

中梁乙型钢中板和底板与枕梁连接拐角处附近5*3个单元的厚度分别从原来的1218加厚到20；

再次分析结果：

最大应力172Mpa，位置：

转移到，中梁的后从板座附近。

合成工况2应力云图，如图7所示

图7合成工况2应力云图

合成工况3

分析结果：

最大应力2.29Mpa，位置：

中梁的后从板座附近。

合成工况3应力云图，如图8所示:

图8合成工况3应力云图

6．2．2刚度分析

垂直静载荷作用下中梁挠度分析结果：

挠度6.23mm，位置：

中梁中央。

垂直静载荷作用下中梁挠度云图，如图9所示:

图9垂直静载荷作用下中梁挠度云图

7结论

强度校验：

第一合成工况最大应力值163Mpa，小于最大许用应力186MPa；

第二合成工况最大应力值172Mpa，小于最大许用应力186MPa；

第三合成工况最大应力值229Mpa，小于最大许用应力186MPa；

强度符合要求。

刚度校验：

中梁中央挠度6.23mm，车辆定距9000mm；

6.23/9000＜1/900；

刚度符合要求。

根据强度和刚度要求，该车设计可以达到标准。

根据分析结果表明，应力集中于中梁、大横梁与中梁的连接边角以及后从板座附近，且接近最大的许用应力。

为了延长车体寿命，建议在中梁、大横梁与中梁的连接边角处进行钢板加厚。

8设计心得

（1）在建模分析的过程中，通过零件连接处的自由边问题，认识到有限元建模要跟实际生产结合起来，对产品的结构和制造过程有要很好的认识，才能建出结构正确，精度更高的模型。

（2）学习到了分组这一更高级的命令，令建模效率更高，并形成良好的思路。

（3）学习到工况合成这一更高级的命令，通过载荷组合分析合成工况，节省了大量求解时间。

（4）在反复的修改中，涉及运用了更多陌生而高效的指令，开阔了思路。

也磨练了急躁的情绪，培养专心、仔细、耐心的思考习惯。

在为期三个星期的设计过程中，得到了老师耐心细致的指导和同学热心的帮助，在此表示衷心的感谢。

9参考文献

（1）刘鸿文主编.《材料力学》.（第四版）.北京：

高等教育出版社，2006

（2）严隽耄傅茂海主编.《车辆工程》（第三版）.北京：

中国铁道出版社，2009

（3）《简明有限元法及其应用》，自编教材

（4）《I-DEASmasterseries教程》，自编教材