基于点焊及粘接结构的不锈钢车体强度研究

摘要

当前，国民经济高度发达、商务出差及旅游使得人员的流动变得越来越频繁，人们追求更加舒适、便捷和高效的出行方式，而轨道交通以这些显著的优势成为人们出行方式的首选。轨道车辆不锈钢车体相比于其它钢材制造的车体具有很多的优点，如强度及重量比高、耐腐蚀性能好、使用寿命长、美观、安全性高和维修量少等，因此使用广泛。 本文以包含外围蒙皮点焊及粘接结构的SUS304不锈钢车体为研究对象，而SUS304不锈钢材料的导热率低，板材的性能在高温条件下受损严重，决定了外围蒙皮与不锈钢车体骨架之间主要采用热影响小的电阻点焊工艺，因此点焊成为不锈钢车体主要的承载连接方式。车体结构仅采用电阻点焊连接工艺对板厚有较高的要求，可能会使强度过剩，不符合轻量化设计原则。因此，本文针对车体外围蒙皮较薄的结构采用点焊和粘接相结合的连接工艺，展开点焊及粘接连接结构强度的研究。 论文首先详细叙述了焊点的多种有限元模拟方法，并结合前人对各种焊点模型的研究成果，从模拟精度、建模效率和计算成本等方面综合评价各种焊点模型；其次系统地阐述目前常用的单搭粘接接头有限元模拟方法，主要有实体单元模型、壳单元模型和弹簧单元模型。然后建立基于各种有限元模型的单搭粘接接头，将各种有限元模型计算结果与文献[61]实验刚度结果进行对比分析，并从建模效率和模拟精度两方面进行综合评价，给出各自模型的使用准则和建议。 根据点焊及粘接接头有限元模拟方法的研究结论，利用有限元分析软件ANSYS建立包含外围蒙皮点焊及粘接结构不锈钢车体的有限元模型，点焊和粘接接头分别采用单梁焊点模型和实体单元模型来模拟。根据ZB S 04001-89标准确定车体的计算载荷及载荷工况，计算车体在各载荷工况下的应力分布，根据EN 12663-1标准评估车体的结构强度，在车体结构强度满足标准要求后，基于EN 15085-3标准评估点焊结构的静强度，基于DVS 1618-2002标准评估粘接结构的静强度。 针对粘接结构的静强度分析结果，根据粘接接头的设计原理对粘接结构强度过剩或不足的部位进行优化，构造了车体外围蒙皮粘接结构的三种优化方案，采用同样的强度评定准则评估各个方案的连接强度，优选出一种较理想的粘接方案。 论文对轨道车辆不锈钢车体的连接方式进行了系统的研究，研究结果可对不锈钢车体的结构轻量化设计和制造工艺发展提供理论依据。

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