高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置及其方法

摘要

提供一种高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置及其方法，通过采用线性屈曲分析及有限元仿真方法，模拟车体结构完好和局部型材凹陷或凸起等缺陷状态，分析动车组结构局部失稳的临界载荷力，指导现车加工制造过程中的工装施加、调休工艺以及焊接参数的设置，避免浪费和安全隐患。本发明采用人机交互装置，首先依据车体图纸建模，在车体局部建立模拟凹陷部；建立车体的边界约束，线性合成车体最大垂直载荷和压缩载荷，定义车体模态频率，建立静载荷和线性屈曲分析工况，然后进行车体结构失稳仿真分析，计算临界屈曲系数，得出能够施加的最大载荷；如果临界屈曲系数大于等于1则判定该部分可靠；如果临界屈曲系数小于1则判定该部分需要补强。

说明书

技术领域

本发明属于高速动车领域，具体涉及车体结构的设计，特别是用于车体出现凹陷后的车体安全性的结构失稳性分析。

背景技术

动车组车体结构仿真分析主要参照相关强度标准，比如日本标准JIS E7105：2006、欧洲标准EN12663：2010和200公里强度暂规，对车体结构强度、刚度进行计算分析。这些计算载荷工况无法评估车体出现凹陷后的车体安全性。所以车体评估需要进行结构失稳性分析。

发明内容

提供一种高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置及其方法，通过采用有限元仿真方法，模拟车体结构完好和局部型材凹陷或凸起等缺陷状态，分析动车组结构局部失稳的临界载荷力。指导现车加工制造过程中的工装施加、调休工艺以及焊接参数的设置。采用车体结构失稳仿真分析方法可比较准确评估在加工制造过程中车体出现凹陷或凸起等缺陷状态，指导车体制造加工，避免车体制造过多材料浪费。

本发明的技术方案如下所述：

一种高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置，包括三大部分，第一部分为建立车体结构有限元模型模块，第二部分为建立车体结构边界条件模块，第三部分为车体结构失稳仿真分析模块，第一部分与第二部分均与第三部分相连接，具体地：

第一部分模块，通过人机交互装置获得车体设计的形状、尺寸而进行建模，还包括建立局部凹陷区域模型模块，在车体局部建立模拟至少一个凹陷部；

第二部分模块，包括通过人机交互装置配置的建立车体边界约束模块、定义车体最大垂直载荷和压缩载荷模块、线性合成复合载荷模块、定义车体模态频率模块、定义静载荷工况模块、定义线性屈曲分析工况模块，其中：建立车体边界约束模块，在车体选取至少一个位置对于其自由度进行约束限制；定义车体最大垂直载荷和压缩载荷模块，在车体水平平面上平面施加均布载荷，该均布载荷为车体承受的最大 垂直载荷；在车体的至少一个位置上建立纵向的压缩载荷；线性合成复合载荷模块，接收定义车体最大垂直载荷和压缩载荷模块的数据，线性合成该最大垂直载荷和压缩载荷；定义车体模态频率模块，设定车体模态频率的范围值备用，提供给第三部分模块；定义静载荷工况模块，对于车体的静载荷进行设置备用；定义线性屈曲分析工况模块，连接定义静载荷工况模块、定义车体模态频率模块，获得静载荷、模态频率数据；

第三部分模块，获得第一部分、第二部分模块的数据后，进行车体结构失稳仿真分析，包括依次连接的计算临界屈曲系数模块、提取临界失稳载荷力模块、比较分析车体结构强度载荷力与临界失稳载荷力模块，计算临界屈曲系数模块，输出该凹陷部的临界屈曲系数给提取临界失稳载荷力模块；提取临界失稳载荷力模块，得出该凹陷部处结构能够施加的最大载荷，即得出车体局部结构失稳时的临界失稳载荷力，输出备用；比较分析车体结构强度载荷力与临界失稳载荷力模块，获得车体局部结构失稳时的临界失稳载荷力，经过车体结构强度分析后提取后该部位的载荷力，比较两值大小，如果根据车体结构强度得出的载荷力小于临界失稳载荷力，那么这种缺陷状态车体结构在运行是可靠的，如果大于临界失稳载荷力，那么这种缺陷车体结构就需要做进一步补强方案以提高缺陷部位的刚度。

进一步地，所述的第一部分模块包括设置车体材料参数模块、设置车体各部件板厚参数模块、建立整车车体有限元模型模块、建立局部凹陷区域模型模块，其中设置车体材料参数模块获得车体采用的材料参数；设置车体各部件板厚参数模块，根据车体设计图纸资料，获得车体各部件结构的板厚的属性赋值；建立整车车体有限元模型模块，根据图纸中的车体结构建立车体有限元模型，车体结构用四边形板单元，局部用三角形板单元进行模拟，获得车体结构二维模型；建立局部凹陷区域模型模块，在整车车体有限元模型中，建立局部区域的凹陷模型，设置凹陷部1尺寸。

进一步地，所述的第三部分模块中，还包括判定该部分车体结构可靠模块、判定该部分需要补强模块，比较分析车体结构强度载荷力与临界失稳载荷力模块根据数据分析结果，如果临界屈曲系数大于等于1则与判定该部分车体结构可靠模块连接，或如果临界屈曲系数小于1则与判定该部分需要补强模块连接。

进一步地，所述的建立车体边界约束模块中，在车体四个空簧2上约束其三个方向的平动自由度。

进一步地，所述的压缩载荷设置为：在车钩安装座处施加车体纵向载荷；所述的最大垂直载荷设置为：在车体地板上平面施加均布载荷。

进一步地，所述的最大垂直载荷为547.6kN，即在车体地板上平面施加547.6kN的均布载荷；所述的压缩载荷为1500kN，即在车钩安装座施加车体纵向的1500kN。

进一步地，所述的建立整车车体有限元模型模块中，所述的板单元的大小设置为20mm；所述的定义车体模态频率模块中，模态频率范围定义为1～40HZ。。

进一步地，所述的建立局部凹陷区域模型模块中，凹陷部尺寸为凹陷深度4mm，凹陷长度3800mm。

一种高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真方法，包括以下步骤：

第一步，通过人机交互装置对车体设计的形状、尺寸而进行建模，并建立车体局部凹陷区域的模型，在车体局部建立模拟至少一个凹陷部；

第二步，通过人机交互装置配置车体结构的边界条件，执行步骤依次包括：

S1建立车体边界约束，在车体选取至少一个位置对于其自由度进行约束限制；

S2定义车体最大垂直载荷和压缩载荷，在车体水平平面上平面施加均布载荷，该均布载荷为车体承受的最大垂直载荷；在车体的至少一个位置上建立纵向的压缩载荷；

S3线性合成复合载荷，设置车体最大垂直载荷和压缩载荷模块的数据后，线性合成该最大垂直载荷和压缩载荷；

S4定义车体模态频率，设定车体模态频率的范围值备用；

S5定义静载荷工况，对于车体的静载荷进行设置备用；

S6定义线性屈曲分析工况模块，配置已设定的静载荷、模态频率数据；

第三步，进行车体结构失稳仿真分析，经过计算得出该凹陷部的临界屈曲系数0.X，结果表明在初始施加载荷的X％时，结构已经出现失稳现象，进而得出该结构能够施加的最大载荷；如果临界屈曲系数大于等于1则判定该部分车体结构可靠；如果临界屈曲系数小于1则判定该部分需要补强。

一种高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真方法，其步骤如下：

Step 1输入车体材料的各项参数；

Step 2依据车体设计图纸资料，对车体各部位结构的板厚进行属性赋值；

Step 3根据图纸中的车体结构建立车体有限元模型，车体结构用四边形，局部用三角形板单元模拟，获得车体的二维模型；

Step 4在整车车体有限元模型中，建立局部区域的凹陷模型，设置凹陷区域的凹陷深度、凹陷长度；

Step 5配置建立车体的边界约束条件：在车体四个空簧位置约束三个方向的平动自由度，后续的车体约束中保持该配置处于激活状态；

Step 6设置最大垂直载荷和压缩载荷，后续的车体载荷施加中保持相应卡片处于激活状态；在车钩安装座施加车体纵向的压缩载荷，在车体地板上平面施加均布的最大垂直载荷。

Step 7进行复合工况的计算，为考核复合工况下的车体线性屈曲，线性合成两种上述两种载荷：最大垂直载荷和压缩载荷。

Step 8定义车体模态频率的卡片，模态频率的频率范围设置为1～40Hz。

Step 9定义静载荷工况，选择上述的边界约束条件、复合载荷；

Step 10定义线性屈曲分析工况，选择上述的定义的静载荷工况和车体模态频率。

Step 11计算临界屈曲系数，进行车体结构失稳仿真分析，经过计算得出该凹陷部的临界屈曲系数0.X；

Step 12结果表明在初始施加载荷的X％时，结构已经出现失稳现象，进而得出该结构能够施加的最大载荷；

Step 13比较分析，上述步骤得到的车体局部结构出现凹陷时的临界失稳载荷力，以及车体结构强度分析后提取该部位的载荷力的两值大小；

Step 14如果根据车体结构强度得出的载荷力小于或等于临界失稳载荷力，那么这种缺陷状态车体结构在运行是可靠的；

Step 15如果根据车体结构强度得出的载荷力大于临界失稳载荷力，那么这种缺陷车体结构就需要做进一步补强方案以提高缺陷部位的刚度。

附图说明

图1本发明的高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置的结构图；

图2本发明的高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置的流程示意图；

图3本发明在Hyperworks软件中的材料参数设置界面；

图4本发明在Hyperworks软件中的板厚参数设置界面；

图5本发明在Hyperworks软件中的车体二维模型图；

图6本发明在Hyperworks软件中的车体局部区域凹陷模型图；

图7本发明在Hyperworks软件中的约束参数定义界面；

图8本发明在车体上的定义约束位置的示意图；

图9本发明在Hyperworks软件中的定义载荷、模态频率的界面；

图10本发明在Hyperworks软件中的定义静载荷工况的界面；

图11本发明在Hyperworks软件中的定义线性屈曲分析工况的界面；

图12本发明的车体失稳仿真分析的分析模型立体图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明作进一步地说明：

在本实施例中，高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置及其方法采用现有软件Hyperworks软件作为人机交互基础，形成本方案，但其他类似的有限元分析软件也可支撑本装置及本方法的应用。

1、在Hyperworks软件hypermesh模块中建立车体结构有限元模型。

1.1、设置材料参数

车体结构采用铝合金材料，其对应的材料参数如下：铝合金材料：Ε:69000MPa；μ:0.3,ρ:2.7e-9t/mm3。在材料定义模块中进行如下设置：如图3所示。

1.2、设置单元属性

依据车体设计图纸资料，对车体各部位结构的板厚进行属性赋值。由于本车体结构涉及到大量的板厚属性赋值，在此仅列出一个进行说明，如图4所示。其他不在赘述。

1.3车体有限元模型

根据图纸中的车体结构建立车体有限元模型，车体结构主要用四边形，局部用三角形板单元模拟，板单元大小设置为20mm，得到车体的二维模型，如图5所示。

在整车车体有限元模型中，建立局部区域的凹陷模型，凹陷区域尺寸为假设凹陷深度4mm，凹陷长度3800mm，具体断面位置见图6所示。

2、建立车体结构的边界条件。

2.1建立约束

在hypermesh模块中建立约束的定义卡片spc，后续的车体约束中保持该卡片处于激活状态，如图7所示。

在车体四个空簧位置约束三个方向的平动自由度，如图8所示。

2.2建立载荷

如图9所示，在hypermesh模块中建立载荷的定义卡片1500kN、zuidacuizai以及复合载荷，后续的车体载荷施加中保持相应卡片处于激活状态。

本次分析中主要考核在最大垂直载荷(547.6kN)和压缩载荷(1500kN)复合工况下的车体线性屈曲。在车钩安装座施加车体纵向的1500kN，在车体地板上平面施加547.6kN的均布载荷。

复合工况的定义见图9中fuhe卡片的定义方法，线性的合成两种载荷：最大垂直载荷和压缩载荷。

同时也定义车体模态频率的卡片，名称定义为freq，频率范围1～40Hz。

2.3建立载荷分析工况

在完成车体有限元模型并定义的相应的约束和载荷后，下一步开始建立载荷分析工况，由于本次分析是线性屈曲分析，那么在hypermesh模块中定义如图10、图11所示。首先定义一个静载荷工况，名称定义为static load。约束选择spc，载荷选择fuhe。

然后定义线性屈曲分析工况，名称定义为linear buckling，选择上边定义的静载荷工况static load和模态频率freq。

3、计算结果 

如图12所示，进行车体结构失稳仿真分析，经过计算得出该部位的临界屈曲系数为0.874。结果表明在初始施加载荷的87.4％时，结构已经出现失稳现象，进而得出该结构能够施加的最大载荷。

4、通过线性屈曲分析，得出车体局部结构出现凹陷时的临界失稳载荷力，经过车体结构强度分析后提取后该部位的载荷力，比较两值大小，如果根据车体结构强度得出的载荷力小于临界失稳载荷力，那么这种缺陷状态车体结构在运行是可靠的，如果大于临界失稳载荷力，那么这种缺陷车体结构就需要做进一步补强方案以提高缺陷部位的刚度。

高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真装置，包括三大部分，第一部分为建立车体结构有限元模型模块，第二部分为建立车体结构边界条件模块，第三部分为车体结构失稳仿真分析模块，第一部分与第二部分均与第三部分相连接，具体地：

第一部分模块，通过人机交互装置获得车体设计的形状、尺寸而进行建模，还 包括建立局部凹陷区域模型模块，在车体局部建立模拟至少一个凹陷部1；

第二部分模块，包括通过人机交互装置配置的建立车体边界约束模块、定义车体最大垂直载荷和压缩载荷模块、线性合成复合载荷模块、定义车体模态频率模块、定义静载荷工况模块、定义线性屈曲分析工况模块，其中：建立车体边界约束模块，在车体选取至少一个位置对于其自由度进行约束限制；定义车体最大垂直载荷和压缩载荷模块，在车体水平平面上平面施加均布载荷，该均布载荷为车体承受的最大垂直载荷；在车体的至少一个位置上建立纵向的压缩载荷；线性合成复合载荷模块，接收定义车体最大垂直载荷和压缩载荷模块的数据，线性合成该最大垂直载荷和压缩载荷；定义车体模态频率模块，设定车体模态频率的范围值备用，提供给第三部分模块；定义静载荷工况模块，对于车体的静载荷进行设置备用；定义线性屈曲分析工况模块，连接定义静载荷工况模块、定义车体模态频率模块，获得静载荷、模态频率数据；

第三部分模块，获得第一部分、第二部分模块的数据后，进行车体结构失稳仿真分析，包括依次连接的计算临界屈曲系数模块、提取临界失稳载荷力模块、比较分析车体结构强度载荷力与临界失稳载荷力模块，计算临界屈曲系数模块，输出该凹陷部的临界屈曲系数给提取临界失稳载荷力模块；提取临界失稳载荷力模块，得出该凹陷部处结构能够施加的最大载荷，即得出车体局部结构失稳时的临界失稳载荷力，输出备用；比较分析车体结构强度载荷力与临界失稳载荷力模块，获得车体局部结构失稳时的临界失稳载荷力，经过车体结构强度分析后提取后该部位的载荷力，比较两值大小，如果根据车体结构强度得出的载荷力小于临界失稳载荷力，那么这种缺陷状态车体结构在运行是可靠的，如果大于临界失稳载荷力，那么这种缺陷车体结构就需要做进一步补强方案以提高缺陷部位的刚度。

第一部分模块包括设置车体材料参数模块、设置车体各部件板厚参数模块、建立整车车体有限元模型模块、建立局部凹陷区域模型模块，其中设置车体材料参数模块获得车体采用的材料参数；设置车体各部件板厚参数模块，根据车体设计图纸资料，获得车体各部件结构的板厚的属性赋值；建立整车车体有限元模型模块，根据图纸中的车体结构建立车体有限元模型，车体结构用四边形板单元，局部用三角形板单元进行模拟，获得车体结构二维模型；建立局部凹陷区域模型模块，在整车车体有限元模型中，建立局部区域的凹陷模型，设置凹陷部1尺寸。

第三部分模块中，还包括判定该部分车体结构可靠模块、判定该部分需要补强 模块，比较分析车体结构强度载荷力与临界失稳载荷力模块根据数据分析结果，如果临界屈曲系数大于等于1则与判定该部分车体结构可靠模块连接，或如果临界屈曲系数小于1则与判定该部分需要补强模块连接。

建立车体边界约束模块中，在车体四个空簧2上约束其三个方向的平动自由度。

压缩载荷设置为：在车钩安装座处施加车体纵向载荷；所述的最大垂直载荷设置为：在车体地板上平面施加均布载荷。最大垂直载荷为547.6kN，即在车体地板上平面施加547.6kN的均布载荷；所述的压缩载荷为1500kN，即在车钩安装座施加车体纵向的1500kN。所述的建立整车车体有限元模型模块中，所述的板单元的大小设置为20mm；所述的定义车体模态频率模块中，模态频率范围定义为1～40HZ。所述的建立局部凹陷区域模型模块中，凹陷部尺寸为凹陷深度4mm，凹陷长度3800mm。

一种高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真方法，包括以下步骤：

第一步，通过人机交互装置对车体设计的形状、尺寸而进行建模，并建立车体局部凹陷区域的模型，在车体局部建立模拟至少一个凹陷部；

第二步，通过人机交互装置配置车体结构的边界条件，执行步骤依次包括：

S1建立车体边界约束，在车体选取至少一个位置对于其自由度进行约束限制；

S2定义车体最大垂直载荷和压缩载荷，在车体水平平面上平面施加均布载荷，该均布载荷为车体承受的最大垂直载荷；在车体的至少一个位置上建立纵向的压缩载荷；

S3线性合成复合载荷，设置车体最大垂直载荷和压缩载荷模块的数据后，线性合成该最大垂直载荷和压缩载荷；

S4定义车体模态频率，设定车体模态频率的范围值备用；

S5定义静载荷工况，对于车体的静载荷进行设置备用；

S6定义线性屈曲分析工况模块，配置已设定的静载荷、模态频率数据；

第三步，进行车体结构失稳仿真分析，经过计算得出该凹陷部的临界屈曲系数0.X，结果表明在初始施加载荷的X％时，结构已经出现失稳现象，进而得出该结构能够施加的最大载荷；如果临界屈曲系数大于等于1则判定该部分车体结构可靠；如果临界屈曲系数小于1则判定该部分需要补强。

一种高速动车组车体局部结构失稳有限元仿真方法，其步骤如下：

Step 1输入车体材料的各项参数；

Step 2依据车体设计图纸资料，对车体各部位结构的板厚进行属性赋值；

Step 3根据图纸中的车体结构建立车体有限元模型，车体结构用四边形，局部用三角形板单元模拟，获得车体的二维模型；

Step 4在整车车体有限元模型中，建立局部区域的凹陷模型，设置凹陷区域的凹陷深度、凹陷长度；

Step 5配置建立车体的边界约束条件：在车体四个空簧位置约束三个方向的平动自由度，后续的车体约束中保持该配置处于激活状态；

Step 6设置最大垂直载荷和压缩载荷，后续的车体载荷施加中保持相应卡片处于激活状态；在车钩安装座施加车体纵向的压缩载荷，在车体地板上平面施加均布的最大垂直载荷。

Step 7进行复合工况的计算，为考核复合工况下的车体线性屈曲，线性合成两种上述两种载荷：最大垂直载荷和压缩载荷。

Step 8定义车体模态频率的卡片，模态频率的频率范围设置为1～40Hz。

Step 9定义静载荷工况，选择上述的边界约束条件、复合载荷；

Step 10定义线性屈曲分析工况，选择上述的定义的静载荷工况和车体模态频率。

Step 11计算临界屈曲系数，进行车体结构失稳仿真分析，经过计算得出该凹陷部的临界屈曲系数0.X；

Step 12结果表明在初始施加载荷的X％时，结构已经出现失稳现象，进而得出该结构能够施加的最大载荷；

Step 13比较分析，上述步骤得到的车体局部结构出现凹陷时的临界失稳载荷力，以及车体结构强度分析后提取该部位的载荷力的两值大小；

Step 14如果根据车体结构强度得出的载荷力小于或等于临界失稳载荷力，那么这种缺陷状态车体结构在运行是可靠的；

Step 15如果根据车体结构强度得出的载荷力大于临界失稳载荷力，那么这种缺陷车体结构就需要做进一步补强方案以提高缺陷部位的刚度。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本案的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本案进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本案的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本案技术方案的精神，其均应涵盖在本案请求保护的技术方案范围当中。