地铁B型车不锈钢点焊车体有限元建模方法对比分析.pdf

第44卷第3期2023年6 月文章编号：16 7 3-9 59 0(2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 6大连交通大学学报JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITYVol.44No.3Jun.2023地铁B型车不锈钢点焊车体有限元建模方法对比分析卢耀辉，李腾宇，张志强，史潇博，刘贝尔（1.西南交通大学机械工程学院，四川成都6 10 0 31；2.西南交通大学唐山研究生院，河北唐山0 6 30 0 0)摘要：以某B型不锈钢地铁车体为对象，研究建模方法对车体有限元分析的影响，包括静强度、刚度和模态分析。首先采用CAD建模软件建立了车体的精细几何模型，然后基于厚度叠加原理，建立了无点焊等效厚度的车体板壳模型，同时建立了采用CWELD焊点单元精确模拟点焊的车体板壳模型。在此基础上，依据BSEN12663-1:2010标准，确定了车体强度评价载荷工况，对比分析了两种建模方法的有限元分析结果，验证了简化建模方法的有效性。对两种模型车体理行计算，模态分析结果表明，有点焊模型模态频率较高，刚度结果表明有点焊模型刚度较大，静强度结果表明有点焊模型强度较高。采用等厚度叠加原理的车体建模计算结果偏于保守，在工程设计和分析中采用是可行的。关键词：不锈钢车体；CWELD单元；车体建模；有限元分析；板壳单元文献标识码：A随着社会的发展与进步，城市交通结构的升级,地铁为解决城市交通拥挤提供了保障，地铁不仅运量大、速度快、节约地面空间，而且低碳绿色、减少噪音。地铁出行已成为很多人的选择 。如今，在众多的轨道车辆中大多采用不锈钢车体，因为它重量轻、耐腐蚀性优越、变形量小、残余应力低、易于挤压成型 2-4。车体作为地铁车辆最重要的承载结构，在设计阶段对其进行相关力学性能的分析显得尤为重要，但是车体的有限元分析与模型的建立有很大的关系。在实际的车体中焊点数量繁多，一辆不锈钢车体上通常有高达50 0 0 0 个点焊焊点,这些焊点一般用于底架横梁与地板、侧墙梁与蒙皮、端墙梁与蒙皮，以及车顶骨架与车顶板的连接中 5。很多分析会简化焊接或者其他连接方式，计算仿真中经常会因为简化模型而导致误差。在焊接时,因为焊缝区域产生的热量不能及时散失，容易造成车体的焊接变形，而点焊能够明显减少焊接变形，所以通常使用点焊作为车体连接形式，点焊是地铁车辆等不锈钢金属薄板结构的主要连接方式。点焊结构紧、重量轻、强收稿日期:2 0 2 2-0 1-17基金项目：国家自然科学基金资助项目（512 7 542 8）；四川省科技厅重点研发计划项目（2 2 ZDYF3050）第一作者：卢耀辉（19 7 3一）,男,教授。E-mail:通信作者：李腾宇（19 9 7），男，硕士研究生。E-mail:D0I:10.13291/ki.djdxac.2023.03.001用。有限元模型建立的精确与否直接影响仿真计算的准确性。谢素明等 7 提出主-从约束关系建模思想，用此建模思想模拟焊核，结果接近实际。李娅娜等 8 对比仿真计算结果与试验结果，发现误差出现在焊缝区和一些窗角区等应力集中的地方。高书娜等 9 通过讨论3种焊点有限元模型并将其与实际模态进行对比分析，最终证实单个梁单元的点焊建模方式对车身的结构分析与设计是合理的。因为车体焊点数目众多,若建模时考虑焊点会导致计算成本增加,计算困难,所以学者一般在车体建模时不会考虑焊点的建立或者简化焊点模型，但是简化焊点可能会产生误差，因此本文通过建立有、无焊点模型，进行对比分析，讨论两种模型的适用性，以及有、无焊点对车体计算结果的影响。本文以某B型不锈钢地铁车体为研究对象，根据实车焊点布置图建立含焊点不锈钢车体，与无焊点车体简化模型进行对比分析，讨论两种不度高、耐腐蚀,对研究车体结构性能起着关键的作2大连交通大学学报第44卷同建模方式对车体静强度分析的影响。本文首先基于Hyperworks软件对两种模型进行前处理,再根据BSEN12663-1:201010 1选取5种典型的车体工况，对车体结构进行静强度分析和结果讨论，分析误差产生原因。1不锈钢点焊车体有限元建模本文的地铁车体为整体承载式结构，主要由底架、侧墙、端墙和车顶组成。车体底架由牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁等结构组成，主要材质为高强度钢。车体端墙、侧墙、车顶的材料也使用高强度钢 。图1为不锈钢车体几何模型。车体骨架与蒙皮之间的连接方式为点焊，在车体承受载荷后,通过焊接到一起的板材将力传到全车,进而发生变形。图1不锈钢车体几何模型1.1点焊建模理论在进行点焊建模时，不同的点焊单元对模拟结果的影响也不同。点焊接头模拟方式有很多种，主要有实体模型、实体板壳模型、CBAR模型、CWELD模型、单刚性梁模型、多刚性梁模型、伞状模型、面接触模型（ACM2）5.12 。很多学者对点焊模型的建立做了研究。戴江梁等 13 通过比较4种点焊模型的模拟精度、建模效率等，确定ACM2模型和CWELD单元对薄板点焊连接有限元分析是较优选择。姚亚涛等 14 通过创建9 种不同的焊点模型对帽型梁进行模态计算并与试验数据对比，结果表明CWELD单元焊点模拟精度较高，批处理时间较短。Palmonella等 15 用基准结构的固有频率表征CWELD和ACM2模型的一些参数，并对其优化进行了指导，又通过建立6 种点焊模型来进行模拟 16 。结果表明：单刚性梁结构是相对不准确的，主要是因为它们不能满意地更新材料或者几何参数。刘亮亮等 17 研究了7种点焊模拟方式的原理、计算精度以及建模效率等，最终综合各种因素，采用CWELD单元建立不锈钢车体焊点模型。此外，相关学者 18-2 0 都提出使用CWELD点焊模型不仅可以缩短建模时间，同时也能较为精确的模拟点焊接头的观点。如果想研究单个焊点周围的应力场，可以使用实体单元，但是对于车体来说，焊点数量繁多，实体模型、实体板壳模型、多刚性梁模型、伞状模型、以及ACM2模型也不实用。模型建立复杂,计算的硬件要求较高，而且耗费时间较长。结合上述学者对点焊模型的研究,CWELD模型具有精度高、批量处理方便的优点，所以本文采用CWELD单元建立点焊模型。1.2车体模型的建立此次建模采用板壳结构，无点焊的车体在建模过程中把实际中两块要用点焊连接的板材作为一个整体，在有限元前处理的时候,赋予板材整个厚度，建立等效厚度的车体板壳模型。而有点焊的车体把焊接的板材相互分离，在前处理中分别赋予厚度，两块板材用CWELD焊点单元模拟点焊连接，见图2。该不锈钢车体的主要设计指标如下：车体整备质量m1为2 0.18 4t；转向架质量m2为4.7 0 0 t（动车）、4.7 0 0 t（拖车）；最大有效载重m4为2 0.42 1t；车体最大质量ml+m4为40.605t；车体长度为19 0 0 0 mm；车体最大宽度为2 7 9 2 mm；车辆定距为12 6 0 0 mm。该车体各部分使用的材料以及材料的力学性能见表1。图2 CWELD单元模拟焊点表1车体主要材料参数及力学性能屈服强度/抗拉强度/标准强度/材料调质符号MPaSUS301 L-ST1/2HSUS301 L-MT3/4HSUS301 L-HTHSUS304Q345GNHL有焊点车体板壳模型采用CWELD单元模拟点焊连接关系，因为车体焊点数目众多、建模时间较长、效率较低，所以本文根据真实点焊布置位置建立部分焊点，该有焊点车体模型包含11142 6 9个单元，9 7 8 9 8 3个节点，4346 个焊点，车体整备MPa410760480820685930205520345480MPa410480685205345第3期质量为2 0.18 4t。通过前述等厚度叠加法建立模型，无焊点车体有限元模型包含10 6 18 45个单元，8 9 2 335个节点，车体整备质量为2 0.16 5t，两种焊点车体有限元模型见图3。（a）有焊点车体（b）无焊点车体图3两种焊点车体有限元模型2车体有限元分析2.1车体工况的选择各工况载荷施加情况见表2。为了对两种建模方式的车体模型进行对比分析，根据BSEN表2 各工况载荷施加情况工况载荷施加方法1.W=40.605 t;2.载荷以重力加速度的形式施加；超员载荷3.车下设备质量（大于50 kg)施加于设备悬挂处；(AW3)4.空调等其余重量分别施加在各自位置；5.其他质量均布在地板上1.W=40.605 t;纵向压缩+2.F,=1200 kN(车钩);AW33.垂向载荷同工况AW31.W=40.605 t;纵向拉伸+2.F,=960 kN(车钩);AW33.垂向载荷同工况AW31.W=(20.184+4.700+4.700)1.1=32.542 t;抬车2.垂向载荷同工况AW3；（整车抬起）3.转向架的质量以质量元的形式施加到中心销处；m转向架=4.7 0 0 t.4.700 t1.W=20.184 t;一位端转向架2.垂向载荷同工况AW3；纵向冲击3.在转向架处施加纵向和横向冲击；(+3g)4.34.709.81=138.321 kN;5.载荷方向：从一位端向二位端g:9.81m/s注：W为车体质量；F,为纵向载荷；m转向架为转向架质量。卢耀辉，等：地铁B型车不锈钢点焊车体有限元建模方法对比分析位置工况名称无焊点有焊点无焊点有焊点对比/%底架底架超员载荷（AW3)5.6885.372横梁波纹板底架底架纵向压缩+AW311.26810.9303.09边梁边梁底架底架纵向拉伸+AW38.049波纹板波纹板拾车侧墙底架3.3173.029(整车抬起）窗框波纹板一位端转向架底架侧墙3.1932.920纵向冲击（+3g）波纹板立柱USUM-5.6879801.264.6319981.89592:52799（a）有焊点车体USUM-5.3715.0757121.252551.840972.42939,.664132(b）无焊点车体图4超员载荷（AW3）两种焊点车体模型最大变形312663-1:2010标准，本文选取较为恶劣的5种工况，选取超员载荷（AW3）、车钩加载纵向载荷1200kN+AW3、车钩加载纵向载荷9 6 0 kN+AW3、车（整车抬起)以及一位端转向架纵向冲击（+3g）5种工况进行车体强度计算。2.2刚度对比通过ANSYS软件计算上述5种工况最大位移变形，观察两种模型位移最大点位置，探讨两种模型的刚度大小，各工况计算结果见表3。选取AW3典型工况位移变形图来体现两种建模方式车体的刚度，见图4。表3各工况有、无焊点模型最大变形仿真计算结果误差5.887.8202.929.509.34ANSYsRelease19.2Bui1d19.23.791993.1599994.423985.055985.68798ANSYSRelease19.0BuL1d19.03.606233.017814.19465位移/mm4.783085.37154通过对两种建模方式所建车体的最大位移对比可知，有焊点车体最大变形小于无焊点车体的最大变形，从整体可以看出，无焊点模型刚度较小，变形较大，有焊点模型因为焊点的存在，截面刚度变大，变形减小，两者最大偏差为9.50%。同时，超员载荷（AW3）、抬车、一位端转向架纵向冲击（+3g）三个工况最大变形位置由于焊点的存在也发生了变化,最大位移分布趋势发生改变。工况名称超员载荷（AW3)纵向压缩+AW3纵向拉伸+AW3抬车（整车抬起）一位端转向架纵向冲击（+3g）对两种建模方式的车体相同位置的应力对比分析可以看出，有焊点模型焊点位置的应力比无焊点模型相同位置的应力大，最大偏差为12.85%。在此位置有焊点模型通过CWELD单元以点对点的方式传递力，导致此位置局部受力工况名称有焊点无焊点有焊点超员载荷（AW3)侧墙上门角侧墙上门角152.872纵向压缩+AW3牵引梁纵向拉伸+AW3底架边梁底架边梁252.102拾车（整车抬起）底架横梁底架横梁143.200一位端转向架纵向冲击（+3g）侧墙下门角枕梁连接板105.234由表5可知，两种模型各工况下车体的最大应力均小于材料的许用应力，符合不锈钢车体的静强度设计要求。两者的仿真计算结果对比表明,两者在应力数值上存在一定的偏差，但应力的整体分布趋势基本上保持一致。在相同的约束及边界条件下，有焊点的车体比无焊点的车体最大应力都小，最大偏差为19.8 7%。2.5模态对比模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。两种车体模型非刚体模态频率计算结果见表6。大连交通大学学报2.3局部应力对比为了更好地对比两种建模方式，讨论有无焊点对车体建模的影响，在有焊点模型的焊点处设置关注点，同样在无焊点模型相同位置设置关注点，观察焊点附近的应力分布，更加明确焊点的作用和焊点对整体模型的影响，以及两种建模方式的差异。各工况局部应力计算结果见表4,本文选取纵向压缩+AW3工况来对比局部应力，从而更好地研究建模方法对车体有限元分析的影响。表4各工况有无焊点模型焊点位置应力仿真计算结果有焊点模型焊点处应力/MPa28.68844.17748.09825.66123.343表5各工况有、无焊点模型最大应力仿真计算结果位置误差对比/%无焊点MPa133.74314.30枕梁270.587阶数模态频率/Hz111.963212.748317.656418.581518.662619.404719.735821.311923.8521024.517第44卷无焊点模型相同位置应力/MPa误差对比/%25.37611.5443.2802.0341.91712.8524.9682.7022.8632.05较大，真实反映了焊点位置的应力分布。2.4最大应力对比采用ANSYS分析软件对5种工况下的两种车体进行静强度计算，各工况计算结果见表5。选取纵向拉伸+AW3工况来分析两种模型的不同。应力/MPa安全系数无焊点有焊点275/2751.80225.72419.87244.3303.18139.5872.5891.43215.09表6 两种车体模型非刚体模态频率无焊点车体模型有焊点车体模型误差对比/%模态频率/Hz11.32013.54019.19819.45719.86321.01021.45323.26124.38225.193许用应力/435/4351.61435/4351.73320/3202.24275/2752.612.061.931.782.303.025.685.848.034.506.047.648.008.382.172.68第3期卢耀辉，等：地铁B型车不锈钢点焊车体有限元建模方法对比分析5从两种建模方式的车体的模态对比可以发现，在同一阶模态有焊点模型比无焊点模型的模态频率高，最大偏差为8.38%。因为有焊点模型中焊点单元的存在，使得有焊点模型整体刚度较无焊点模型大。3结论本文对两种不同的不锈钢车体建模方式进行了分析，研究不同的建模方式对车体强度计算结果的影响，得出以下结论：（1)本文采用含CWELD单元建立车体的焊点模型以及采用等厚度叠加板壳模型建立无焊点车体简化模型，两种建模方式计算所得的结果都符合不锈钢车体强度设计标准，两种方法对于车体分析来说都是可行的。（2)两种建模方式的车体最大变形的误差为9.50%，相同位置焊点应力最大误差为12.8 5%，最大应力的误差为19.8 7%，模态频率的最大误差为8.38%。在相同的载荷工况下，有焊点车体模型应力与无焊点车体模型应力相比较小，但两者的应力分布趋势保持一致，有焊点车体模型强度与无焊点车体模型强度相比较大。无焊点车体模型得到的结果偏于保守，当不考虑焊点评价时，采用无焊点模型是可行的。（3)因为车体焊点数目众多，有焊点车体比无焊点车体建模时间较长，效率较低，参考文献：1 万志强，宗辉祖，马波，等地铁车体的静强度和疲劳强度模拟研究J.机械研究与应用，2 0 2 1，34(1):30-32.2 郭泽阔，杨中平，闫雪燕城市轨道交通车辆车体材料的选型分析 J西部交通科技，2 0 0 9（10)：111-116.3员华，邹鹏不锈钢车体与铝合金车体的现状及发展J都市快轨交通，2 0 0 8(3)：8 9-9 1.4 曾妮城轨车辆车体材料的发展与选择 J：黑龙江科技信息，2 0 12(2 9)：2 8 2-2 8 2.5 杨龙，杨冰，阳光武，等点焊接头疲劳研究综述J机械工程学报，2 0 2 0，56(14)：2 6-43.6邓锐，李华丽，黄文杰薄板点焊结构有限元建模方法研究 J电力机车与城轨车辆，2 0 0 9，32(5)：13-16.7 谢素明，隋明东，李晓峰，等.不锈钢点焊结构车体FEA建模方法J大连交通大学学报，2 0 0 7，2 8(1):21-27.【8 李娅娜，张宇婷，韩肖某地铁车体静强度分析及试验验证 J计算机辅助工程，2 0 16，2 5（2)：14-18.【9 高书娜，邓兆祥，胡玉梅车身点焊连接有限元模拟方法研究 J汽车工程，2 0 0 8，30（9）：8 11-8 15.10 BSI.BS EN 12663-1:2010 Railway applications-struc-tural requirements of railway vehicle bodies-Part 1:locomotives and passenger rolling stock(and alternativemethod for freight wagons)S.London:British Stand-ard Institute,2010.11周元伟不锈钢点焊车体静强度仿真计算与试验对比研究 J.铁道机车与动车，2 0 2 0（7）：2 4-2 7.12 黄志宏，许彦强不锈钢车体结构设计及仿真分析要点 J.铁道车辆，2 0 12，50（6）：14-17.13 戴江梁，吴长德，谢小平，等点焊连接的有限元建模方法研究及案例应用 J现代制造工程，2 0 14(9):74-80.14姚亚涛，肖守讷，朱涛基于不同点焊模拟的帽型梁仿真与试验对比J铁道机车与动车，2 0 16(11):15-19.15PALMONELLAM,FRISWELL MI,MOTTERSHEADJ E,et al.Guidelines for the implementation of theCWELD and ACM2 spot weld models in structural dy-namics J.Finite Elements in Analysis&Design,2005,41(2):193-210.16PALMONELLAM,FRISWELLMI,MOTTERSHEADJ E,et al.Finite element models of spot welds in struc-tural 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composite car body of high-speed ma-glev train is established.Based on the analysis results of system dynamics and aerodynamics,the interfaceload between the car body and the running gear and the aerodynamic load on the car body surface are deter-mined.The strength of car body structure is analyzed by using BS EN12663:2010 standard and Tsai-Wu fail-ure criterion.The results show that the strength of the car body structure meets the design requirements,andthe maximum Tsai-Wu failure factor of the carbon fiber hood structure is only 0.154.In order to fully tap thepotential of composite materials,the free size optimization,size optimization and stacking sequence optimiza-tion of the carbon fiber hood are taken with compliance,mass and layup sequence as objective functions.Fi-nally,the best layup sequence obtained is 45/-45/0/90/0/45/-45/45/-45.The weight of the op-timized carbon fiber hood is reduced by 28.9%compared with that before optimization.The optimized hood ismapped to the car body and subjected to strength analysis.The maximum Tsai-Wu failure factor of carbon fi-ber hood is 0.163.Keywords:high-speed maglev train;composite material;strength analysis;layup optimization design大连交通大学学报Strength Analysis and Structural Optimization of Composite Car BodyComponents of High-Speed Maglev TrainXIE Suming,BU Haoran,GAI Jie?第44卷(上接第5页）Comparative Analysis of Finite Element Modeling Methods for StainlessSteel Spot Weld Body of Subway Type B CarsLU Yaohui-2,LI Tengyu,ZHANG Zhiqiang,SHI Xiaobo,LIU Beier?2(1.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Graduate School of Tangs-han,Southwest Jiaotong University,Tangshan 063000,China)Abstract:A B-type stainless steel subway car body is taken as the object to study the influence of modelingmethods on the finite element analysis of the car body,including static strength,stiffness and modal analysis.Firstly,the fine geometric model of the car body is established by CAD modeling software,a car body plate shellmodel of the equivalent thickness without spot welding is established based on the principle of thickness superpo-sition,and a car body plate shell model with CWELD welding point element is established to accurately simulatespot welding.According to the BS EN12663-1:2010 standard,the load condition of the vehicle body strength e-valuation is determined,the finite element analysis results of the two modeling methods are compared and ana-lyzed,and the effectiveness of the simplified modeling method is verified.Through the calculation of the twomodel car bodies,the modal results show that the modal frequency of the spot weld model is higher,the stiffnessresults show that the spot welding model has higher stiffness,and the static strength results show that the spotwelding model has higher strength.The calculation results of the car body modeling using the principle of equalthickness superposition are conservative,and it is feasible to use it in engineering design and analysis.Keywords:stainless stel car body;CWELD element;car body modeling;finite element analysis;plate shellelement