毕业设计单轨工程车车体设计.doc

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1、第1章 工程车技术方案1.1工程车的组成根据工程车功能的要求，把工程车设计成一种既满足线路救援，又满足消防作业要求的车辆。1)工程车由底架、车厢、操作驾驶台、动力源、传动装置、走行装置、制动装置、联挂车钩、整车起吊挂座、照明装置及随车工具等组成。2)车辆搭载消防设备l套。3)车辆搭载救援设备1套。4)车辆设置工作装置电源接口4套。1.1.1底架1)工程车采用底架承载结构，主要由两根中梁、两根侧粱、前后端梁及数根横向连接梁等组成，中梁和侧梁由厚5mm钢板折弯成形，具有足够的强度和刚度，承载性能良好，底架及其它结构件的关键部位的焊缝均进行探伤鉴定，其使用寿命可达到25年以上。2)走行轮通过支座安装

2、在两根中梁之间。3)工程车在偏载1吨状况下能安全稳定运行及作业。4)在车辆底架大梁4个角上对称设置4个起吊座，保证车辆起吊时重心平衡，在整车起吊时，利用4根起吊专用钢丝绳分别挂在4个起吊座上，钢丝绳斜向上穿过驾驶室天窗挂于起重机的挂钩上，用起重机对单轨跨座式工程车整体起吊。1.1.2车厢1)厢设计为不承受结构载荷，设计牢固合理，采用轻质矩形铝合金（30mm*30mm）制作而成，外形美观；2)车厢为整体密封式结构，车厢外皮采用预应力方式安装而成，车厢壁为夹层，夹层间装有隔热、防噪层。按国家相关规定的要求进行漏水及隔热等试验。车厢前后设有4个大灯，车厢侧面每侧开设4个窗户（高750mm，宽llOO

3、mm），车厢两端分别安装2个挡风玻璃（高790mm，宽790mmm），挡风玻璃上安装电动雨括器，保证驾驶员及室内人员嘹望，视野良好。3)车厢前、后及两侧中部各开1道门（高1700mm，宽650mm），前后端门便于人员出入和联挂车辆；车门内侧设有爬梯扶手方便工作人员上下。4)车厢顶棚骨架承受250kg，满足2名作业人员在车顶进行施工作业。5)车厢内设置2匹的海尔空调设备，其用电由车载发电机供应，前进方向左侧各设一个驾驶操作台，司机座椅、工具箱等。车厢内两侧设有活动翻板供作业人员下到工作平台内，发动机上方地板为活动盖板，打开活动盖板则可维护和检修发动机。地板中部设置一个活动盖板，并设有上下扶梯，供

4、工作人员下到PC梁上平面，对PC梁上平面进行检修。6)车厢内两侧根据救援过程中常用工具的具体类型、大小及数量设置工具柜。1.1.3动力源工程车动力源选用东风康明斯ISDe230 30车用柴油机，带充电发电机、起动电机，该机型技术性能先进，具有故障少、扭矩储备系数大、燃油消耗率低、噪音小、使用寿命长等特点，满足EuroIII排放标准。额定功率169kW，额定转速2500rpm，最高转速2850rpm，最大扭矩900Nm，满足EuroIII排放标准。 其主要技术参数和规格如下： 型号：东风康明斯电控发动机ISDe230 30 型式：直列六缸、四冲程、增压空冷 外形尺寸（长X宽X高）：1026mm6

5、99mm912mm 怠速：600-800rpm 额定功率转速：169kw/2500rpm 最大扭矩/转速：900Nm/(1200-1700) 起动方式：DC24V电起动 净重：509kg发动机通过外罩采用整体密封布置在车厢内，发动机外罩设为夹层，夹层问装有隔热防噪层。发动机罩可以方便地整个翻开，便于发动机日常维护保养，发动机通过减震橡胶垫安装在底架中梁上，减震效果良好，发动机重心在保证其维修保养方便的情况下处于最低位置，突出地板面不高于300mm，油箱容量可以满足发动机连续运转20小时，油箱加油口位于底架地板面，加油方便。发动机所产生的废气经过消声、净化后，向上通过钢管排出驾驶室外，产生的热气

6、从车辆侧面排出车厢外。选用的发动机技术参数通过计算留有足够余量。1.1.4 驾驶操作台1)车厢两端前进方向左侧各设有一个驾驶操作台，驾驶员座椅可调整前后、高低位置，驾驶员通过调整能够选择到合适的驾驶操作位。2)驾驶操作台面上设有发动机转速表、发动机小时计、速度里程表、燃油油量表、发动机水温表、发动机机油压力表、充放电电流表，各仪表均具有油液防震功能。3)台面上安装有发动机起动指示灯、电笛按钮、机油压力报警灯、水温报警灯、及车辆前牵、后牵、制动、超速和检修工作平台升降状态指示灯，仪表盘上设有防眩仪表灯，满足在夜间和隧道内驾驶的要求。4)驾驶操作台上控制前进与后退开关与调速电控手柄相互连锁，只有方

7、向一致时车辆才能运行。要求车辆前进时，操纵变速手柄，驾驶控制功能齐全，操作方便简单、维修简单。驾驶台下设有制动踏板，侧面设有侧盖板，打开盖板即可方便检修各电缆接线端子等设施，各操作元件方便灵活、司机所有的操纵控制均由总电源开关及启动钥匙来控制。5)前后驾驶操纵台上均安装有与工程车两侧检修工作平台进行联系的车载有线对讲设备（型号：RQHO1A），司机可与两侧检修工作平台上的施工人员及时联系，有线对讲装置具有免提功能并能保证在发动机工作噪音环境下能进行正常联络。1.1.5走行装置工程车走行装置包括：减振装置、单轴转向架、牵引平衡拉杆、走行轮轴支座、走行轮、导向轮、稳定轮、辅助救援轮等组成。1、减振

8、装置设有弹簧缓冲及液压减振器减振，弹簧悬挂系统主要由四个钢圆簧组成：圆弹簧选用铁路机车所使用的标准弹簧，该弹簧的参数为：簧条直径d=32mm；簧圈直径D=172mm;总圈数n总=7.5圈；工作圈数n工=6圈；自由高度H=320mm；刚度K=34.4kgf/mm。2、本转向架类似于单轨跨座式客运车辆的转向架结构，主要由两个走行轮、四个导向轮、两个稳定轮等组成。走行轮安装在走行轮轴上，再通过走行轮轴支座与转向架联接。工程车采用链条和齿轮传动，走行轮与齿轮箱输出轴之间采用齿式联轴器，齿轮箱和齿轮箱之间用万向节连接，两个万向节之间的轴采用内外花键配合，车辆过弯道时，万向节可以伸长一定的距离来传递动力，

9、前后车轮的转速相同，使转向架顺利过弯道转向，因而工程车在过弯道时不会出现行走轮滑移的现象，很好地解决了轮胎的磨损问题，提高行走轮胎的使用寿命。工程车转向架上所安装的导向轮和稳定轮与行走轮在同一横断面上处于同轴线位置，并且转向架与车底架为弹性结构联接，转向架与底架具有一定的相对移动量，可相对独立运行，每个转向架上的导向轮与稳定轮通过一定的预紧力时刻紧贴PC梁侧面，因而车辆在平直道与弯道上运行时，导向轮和稳定轮始终不离开PC梁面，使车辆运行安全、平稳。3、每个转向架有一个牵引拉杆和一个平衡拉杆与车辆底架相联，全车共有两个牵引拉杆及两个平衡拉杆，牵引拉杆的作用是传递牵引力或制动力；平衡拉杆的作用是为

10、牵引力或制动力提供平衡反力矩，同时克服运行过程中转向架构架的点头运动；同时牵引拉杆和平衡拉杆均小妨碍转向架相对于车体的转动。牵引拉杆和平衡拉杆结构基本相同，其两端的定位销为厚的橡胶套，属于弹性关节。整个转向架通过牵引拉杆和平衡拉杆与车辆底架实现纵向定位，横向由转向架与侧梁之间的弹性侧档定位，垂向定位由单圈钢圆簧实现。4、每个单轴转向架上均设置两个救援轮，当出现其中一个转向架中的走行轮爆胎时，则该转向架上安装的两个救援轮立即支撑在PC梁上，从而支撑起整个车辆，具有行走轮防爆功能。5、走行轮采用充气轮胎（型号：345/85 R16XPMA TL），导向轮及稳定轮(型号：5.00-8)选用实芯橡胶轮

11、胎，导向轮、稳定轮与车体为非钢性连接，各轮对PC侧面压力通过弹簧调节预紧力，轴距与走行轮轴距相同。工程车走行轮轮胎均由减速器输出的动力通过链条传递到走行轮，走行轮轴承支座通过八个M20螺栓固定在转向架上；走行轮胎拆装比较方便，在行走轮胎正上方的车厢项部上开有天窗，室内地板上开有拆装轮胎的盖板，拆装轮胎时吊装钢丝绳可通过天窗与盖板利用行车起吊轮胎。如其中任一行走轮胎出现爆胎或胎压不正常，工程车整体会呈现下降，这时安装在工程车上的限位装置与PC梁面接触，驾驶操作台即出现指示灯报警，司机据此可判断行走轮胎出现爆胎或胎压不正常。走行轮、导向轮、稳定轮完全满足车辆正常行驶以及重载、偏载等特殊情况下的安全

12、要求。6、走行装置结构件选材满足技术要求及使用功能需要，消除加工应力集中，热处理后做作探伤检查，出具探伤检查报告，消除故障隐患。1.1.6电控系统 1)本工程车每台均由4个风帆蓄电池（型号：6-Q-190A）组成，分组设置为24V电源，由电磁开关控制，转换开关控制，电源进出线经过保险，防止过载的发生，在欠载情况下电磁开关不能动作，保证电压、电流稳定输出。2)工程车控制电路均为24V负极搭铁接地直流电路。设有24V配电箱1个，位于前司机座椅下，低压配电箱1个，设在后司机椅下，便于施工人员临时搭接电源。3)工程车电气线路均采用阻燃、无毒的机车电缆，各接线端子用号码管进行标注，为今后检修拆装提供方便

13、。电缆尽可能排布在电缆槽内，延长使用寿命且美观。所有D24V电气开关及按钮均选用西门子和德力西等国际知名品牌。4)根据车载信号设备的要求，预留有信号设备的固定安装位置及所需的电源接口。1.1.7消防救援设备（表1）表1序号名称数量尺寸1推车式干粉灭火器30kg440040010002消防水带14504501003消防水枪21503004004异形接口21501501505卡式分水器12004005006防毒面具S101502002507防毒面具X101201201208空气呼吸器53003007009金属切割机230040090010大斧130200100011小斧102510065012铁铤

14、230150110013千斤顶230030080014等离子切割器230030060015高空缓降器220030050016绳索套装1300400600317抛绳枪240050013001.1.8 制作要求1材料要求：工程车所选材料具有阻燃、少烟、低毒，并能在酸雨和高湿度下长期露天作业，满足国标要求。钢材均作除锈、防腐处理，部分型钢及板材进行热浸镀锌防腐，使用耐侯性良好的立邦漆涂料。2加工要求：钢材弯曲采用折弯压力机加工，材料切割、连接孔采用锯床和冲床冷加工制作。所有加工表面、毛边飞刺均进行打磨等处理，不留气割焊接痕迹。3.焊接要求焊接焊缝符合国标要求，事先按设计工艺制定焊缝检查计划并对重要焊

15、缝按计划作探伤检查出具报告。根据被焊材和焊接要求，选择相应焊料和焊接设备和容量，根据构件要求由相应等级的焊工施焊。（1）放样点焊车辆大梁及构件等的焊接均在专用平台上放样点焊，按几何尺寸1：1展开实样加工胎模具并按照多面样的构架其共同边线一致的原则顺序翻转放样点焊。零部件放样后经调整、检查形位尺寸符合要求后，开始点焊。放样点焊后校对构件的尺寸偏差、形位公差，查所有形位尺寸，符合设计要求和规定。(2)连接焊接放样点焊经检查合格后连接焊接，焊条型号符合设计要求，受潮焊条应烘干。控制焊接电流、采用对称焊接法减小焊接变形。边接焊接后，各部位的尺寸偏差、形位公差符合设计的规定。(3)焊后矫正焊接完成后进行

16、尺寸偏差、形位公差检查，不符合设计要求，应进行机械矫正。矫正后的尺寸偏差、形位公差必须符合图纸的设计规定。梁柱矫正完毕，经质量部门、技术部门、生产车间共同检查无误后方能进入下步工序。4表面涂饰要求需涂饰表面首先必须进行除锈、除油处理；然后进行喷涂处理，涂层包括有防锈底漆、中间涂层、表面涂层，根据具体要求每层进行二至三次喷涂；工程车现场安装完毕后，如发现有涂层受损，受损处用与表面涂层同质、同色的涂料进行补漆，补涂后没有色差和痕迹。涂层色彩在设计联络时确定。5、电路布局要求电路电缆充分考虑需求，并预留接口，合理规范敷设，避免混乱。1.1.9试验要求工程车在出厂前根据型式试验大纲的要求进行型式试验，

17、在现场安装调试完成后，试运行之前进行例行试验，其详细试验大纲及救援预案由承包商建议并事先送交业主批准。限界试验、载荷试验 制动试验、救援试验等均为是例行试验。出厂前做型式试验并出具型式试验报告以作出厂验收依据，未作项目在现场安装后完成。在现场安装调试完成后试运行之前，做例行试验，只有完成例行试验大纲所规定的项目，才能进入试运行。1.1.10 低压配电箱工程车设有24V配电箱1个，位于前司机座椅下，低压配电箱l个，分别设在后司机椅下，箱内配备380V及220V的电源接口，便于救援人员临时搭接电源，保证救援中用电的需求。1.1.11车体的防雷接地为保正工程车雷雨季节亦能进行救援作业，在车体前后留接

18、地口，车体用50mm2的电缆线与PC梁的防雷接地连接，这样保证了车体接地，为维护、检修方便接地线初步定为30m。1.1.12照明设备及蓄电池1工程车照明设备分两类：一类是车辆安全运行所需的灯光照照明及救援照明由车内DC24V直流供电。2每台工程车配有4个风帆蓄电池（型号：6-Q- 195A）其容量可以保证发动机熄火状况下，为车上所有照明设备、信号设备等提供l小时连续供电。1.1.13部件、零配件要求1本着标准化、系列化、通用性强的原则，部件、零配件均选用国内外先进成熟的知名品牌，便于今后维护用零配件的采购。2所供随机备品备件及专用工具，其目录由承包商提出建议经业主确认。1.2 承载形式的选择车

19、体的承载形式分为三种:1.2.1底架式承载结构全部载荷均由底架来承担的车体结构称为底架承载结构。不需要车体的其他部分承载，故作用在车体上载荷完全由底梁来承担。正因如此，中梁和侧梁都需要做得比较强大。为了使受力合理，中、侧梁均制成中央断面尺寸比两端断面尺寸大的鱼腹型，即为近似等强度的梁。 图 2-1 鱼腹形梁底架承载结构1.2.2侧壁和底架共同承载结构载荷由侧、端墙与底架共同承担的车体结构称为侧墙和底架共同承载结构。由于侧、端墙分担了部分载荷，减轻了底架负担，所以底架就可以相对轻巧些，中、侧梁断面均可减小，中梁不需要制成鱼腹形梁。侧梁可用断面尺寸比中梁小的型钢制成，减轻了底架的重量。侧壁和底架共

20、同承载结构又可以分为桁架架式结构和板梁式结构两种：如图2-1、2-2。图2-2 桁架架式结构图 2-2板梁式结构1.2.3整体承载结构在板梁式侧、端壁上固接由金属板、梁组焊而成的车顶，使底架、侧端墙、车顶车牢固地组成为一整体，且车体各部分均能承受垂向力和纵向力。这种结构称为整体承载结构。整体承载结构可分为开口箱形结构和闭口箱形结构两种。底架没有金属地板，仅由各梁件和镀锌铁皮组成的开口箱形结构；底架上设有金属地板的闭口箱形结构，也称筒形结构。图 2-4 整体承载结构(a) 开口箱形结构 （b）闭口箱形结构 （c）无中梁底架结构因为工程车辆要满足不同工作状况的需要，这就要求工程车车体可以根据不同工

21、作状况而选择不同的车体或者对车辆进行改装，为了方便更换车体，因此，工程车的承载形式采用底架承载结构。1.3 车体材料和结构的选择车体是车辆结构的主体。车体的强度、刚度，关系到运行安全可靠性和舒适性；车体的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法，关系到车辆外观、寿命和检修制度；车体的重量，则关系到能耗、加减速度、载客能力乃至列车编组形式(动拖比)。以上所述都直接影响运营质量和经济效益。车体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。故车体选材一开始就成为选择城轨系统时必须同时考虑的诸多重大要素之一。车体材料有三种，耐候钢、不锈钢、铝合金。1.3.1耐候钢车体耐候钢车体采用板梁组合整体承载全焊接结构

22、。制造厂先将购进的冷轧定尺板材或将热孔卷料开卷、矫平，切断的板材经磷化预处理。车体的外板(一般厚为2mm)，是将预处理后的板材用缝焊机接宽接长；梁柱则将预处理后的板材 (一般厚2.5mm)剪切下料、轧压、冷弯或拉延成型。对于像底架边梁、车顶侧板那样大型板梁，一般可采用冷弯型材(厚36mm)。板和梁(柱)间采用点焊或塞焊，梁柱间采用弧焊(用焊条或二氧化碳气体保护焊)。车体采用大部件组装方式：将底架、侧墙、车顶、端墙部件预先组成后再组成车体。经变形矫正(打平)后的车体送到油漆工序。底漆、面漆涂完后钢结构车体才算完成(也可在车辆总成涂面漆)。在车体设计开始，梁柱布置完成后用三维有限元法进行车体强度计

23、算。在头一辆车体制造完工后，进行强度试验。车体的强度试验属于形式试验，即同种车只试验一台，在油漆前进行。车体需经钢结构强度试验通过后才能批量投产。与铝合金、不锈钢车体相比，耐候钢车体有材料费、制造费低以及工艺性好、造型容易的明显优势，但也存在重量较大、耐腐蚀性不大好而导致运用成本高的劣势。1.3.2 不锈钢车体1.不锈钢车体的机械性能强于铝合金车体, 熔点高于铝合金车体, 防火性能强于铝合金车体, 因此不锈钢车体具有更好的安全性; 铝合金车体的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及弹性模量约为不锈钢车体的1 /3。2.不锈钢车体比铝合金车体的刚度要大, 因此在铝合金车体设计时, 采用加大板厚和尽量加大

24、车体端面的办法, 提高车体抗弯刚度。3.不锈钢车体重量、价格略高于铝合金车体, 但是对于沿海城市和重工业地区, 其空气有污染重、湿度大等问题, 使用不锈钢车体可延长车体使用寿命。4.不锈钢车体比耐候钢车体大约可轻30%40%，但是不锈钢车体的制造工艺性远不如钢车，不能采用弧焊；特别是不锈钢成形困难。5. 不锈钢由于是薄板且为拉丝板, 容易划伤, 更忌讳异向划痕, 出现划痕又难以消除。至于触摸的手印, 还是可以清洗掉的。1.3.3 铝合金车体铝合金车体从结构形式上可分为：板梁、大型开口型材和大型中空闭口型材及其组合形式。板梁式铝合金车体在结构形式上类似于耐候钢车体，但为了提高断面系数，防止板材由

25、于剪力产生失稳现象，因此加大板厚(一般取钢板的1.4倍，最薄用到2mm)。铝合金车体的薄板焊接非常困难，技术水平要求高，而且变形大矫正困难，因此必须采用接触焊。开口型材将板、梁合成一体，简化了车体制造工艺，提高了质量，但成本也相应增加。铝合金车体目前普遍采用的结构是大型桁架式中空型材组焊式(一般采用自动弧焊)。大型中空型材组焊式车体制造时，只需将型材沿车体长度方向对接连续自动弧焊。由于车体零件数量少、焊接工作量少，且容易实现自动化，大大降低了车体制造成本，提高了产品质量。但与此同时，由于大型型材需要能力为800010000t的大型挤出设备和大型模具，因此制品成本昂贵，设计断面变化也受到制约。另

26、外，由于多余金属只能靠机械加工的办法去掉，工艺复杂，成本高，所以大型中空型材结构的车体要比板梁式、大型开口型材式车体略重一些。铝合金车体的特点是利用铝的相对体积质量约为普通钢的1/3这一点来减轻车体自重。铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的1/2。铝合金车体的弱点是铝的纵弹性模量小，约为普通钢的1/3，因而往往使车体刚度下降。一般铝合金车体比普通钢车体、不锈钢车体的刚度都要小。这是铝合金车体设计时加大板厚和尽量加大车体断面以提高车体抗弯刚度的重要原因。综合经济性、轻量化等方面的原因，车体材料选用板梁式铝合金，并利用现代工程建模分析（UG/NASTRAN）进行建模分析，使车体符合各项指标的同时

27、达到车体最优性能，并最终达到“安全、可靠、快速、轻量、经济、适用、可更换”的要求。1.4 设计参数的确定 工程车主要技术参数如下：1. 工作车车体尺寸（长宽高）：7500mm2900mm2250mm（主体尺寸）侧门（宽高厚）：1800mm750mm36mm，前后门（宽高厚）：1700mm650mm36mm，蒙皮厚度3mm，2自重：7 T载重：3 T3走行速度平道最高运行速度：40kmh60坡道最高运行速度：25km/h4轴距走行轮轴距：6275mm稳定轮、导向轮轴距：1340mm5动轴数：两轴四轮驱动6轮胎走行轮：充气轮胎，型号为345/85 R16XPMA TL (MICHELIN)（重庆轨

28、道交通二号线客运车辆轮胎）直径：980mm载重：5.6t/个，导向轮及稳定轮：实心轮胎，型号：5.00-8直径：450mm载重量：1.5t个7车钩车钩：前后各一个棒式连接器2根8照明装置前照灯:前后各4个，功率100W，驾驶室下部两个，顶部一个尾灯（制动灯）：前后各2个，功率10W警示灯：前后各1个（黄色回转灯），标志灯：2个（红色可移动放置轨道梁上），室内照明灯：6个台，第2章 有限元应用的介绍2.1有限元法基本思想有限元法是目前CAE工程分析系统中使用最多、分析计算能力最强、应用领域最广的一种方法。有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题的一种有力的数据计算工具。起初这

29、种方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力问题，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术；后来由于这一方法的灵活、快速和有效性使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用近似计算方法。目前，它在许多学科领域和实际工程问题中都得到了广泛的应用，因此在工科院校和工业界受到普遍的重视。在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容易的，但是由于其几何形状、材料特性和外部载荷的不规则性，求得解析解却很困难。因此，寻求近似解法就成了求解实际问题近似解的必由之路。经过多年的探索，尽管近似解法有许多种，但常用的数值分析方法就是差分法和有限元法。差分法计算模型可给

30、出其基本方程的逐点近似值(差分网格上的点)。但对于不规则的几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难以应用了。有限元法把求解区域看作由于许多小的在节点处相互连接的子域(单元)所构成，其模型给出基本方程的分片(子)近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。再加上有成熟的大型软件系统支持，使其已逐渐成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。2.2有限元分析系统的组成有限元法的通用性使得它可以把固体力学、流体力学、动力学与控制等不同分支中课题的求解统一在一个框架，组织在一个分析系统中。基于数理模型，有限元分析系统一般由前

31、处理器、模型求解器、后处理器三个部分组成。其中前后处理器是算法与空间模型的接口，进行相应数据的前期准备与后期整理，完成算式表达和结果显示。模型求解部分实现数理方程的解算。对线性化模型，目前算法己近于成熟；当前数理方法的主要研究方向是非线性问题和多体系统建模。2.3有限元法的求解过程有限元法是将连续的变形固体离散成有限个单元组成的结构，单元与单元之间仅在节点处以铰链连接（节点不传递力矩）。利用变分原理或其它方法，建立联系节点位移和节点载荷的代数方程组，求解这些方程组，得到未知节点位移，再求得各单元内的其它物理量。一般来说，有限元解题过程可分为如下八个步骤：2.3.1定义域或求解域的离散化把定义域

32、或求解域离散为子域(有限元)是有限元法的第一步，是把结构或求解域分割成许多小部分或单元，这相当于用一个具有有限自由度数目的系统来代替具有无限自由度数目的系统。离散的实施基本上是靠工程判断力。1.正确选择单元的类型所有类型单元的几何形状基本上都可以归属于以下四大类：无矢量单元、一维单元、二维单元和三维单元。无矢量单元是一种无尺度的点单元，在建模中这些单元往往被用来表示弹簧、集中质量和黏性阻尼等特性。一维单元则是用于描述两维尺度远小于第三维尺度的物体，即直线型或曲线型的物体，这类单元的主要物理特性是沿着物体的轴线方向定义的。二维单元则是用于描述一维尺度远小于另二维尺度的物体，构成计算模型中的面。三

33、维单元则是用于表示三维实体。对涉及曲线几何形状的问题进行离散时，具有曲边的单元是有用的。具有直边的有限元称为线性元，而具有曲边的有限元称为高次元。2.根据分析实体的几何形状和载荷特点，合理安排网格的疏密。3.利用物体的物理条件简化计算模型。4.正确设定约束条件和载荷。在建立计算模型时，有时为了消除模型的刚体位移，必须要对模型设置一些附加的约束条件。约束条件的设置必须要能消除实体在各个自由度上的刚体位移。但也不能产生过度的约束，以免影响分析结果的正确性。2.3.2 选择适当的插值模式或位移模式由于在任意给定的荷载作用下，复杂结构的位移解不可能预先准确地知道，因此，假设用单元内一些适当解来近似未知

34、解。通常，把解或插值模式取为多项式形式。在选择时需注意：(1)多项式项数应该等于单元的自由度数； (2)多项式阶次应包含常数项和线性项；(3)单元自由度应等于单元节点独立位移的个数。连续体离散化后，要对典型单元进行特性分析。为了能用节点位移（速度）来表示单元体的位移、应变和应力，必须对单元中的位移分布做出假定。即假定一种位移模式（形函数）来近似地模拟其真实位移。其矩阵形式为：u = Nde 式(2.1)式中： u单元中任一点位移列阵； N形函数矩阵； de单元节点位移列阵。位移模式选定以后，就可以进行单元力学特征分析。根据几何方程确定应变与单元节点位移的关系： = B de 式(2.2)式中：

35、应变列阵； B几何矩阵。利用物理方程给出单元体内任一点的应力状态： = DB de 式(2.3)式中：单元体内任一点应力列阵； D与单元材料相关的本构矩阵。2.3.3推导单元的刚度矩阵和荷载向量根据假设的位移模式，利用平衡条件或适当的变分原理就可以推导出单元e的刚度矩阵keJ和荷载向量P劲。推导单元特征矩阵和特征向量的方法有变分法、直接法和加权余量法,也可利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式。即确定单元刚度方程：Fe = kde 式(2.4)式中：k单元刚度列阵，且： k = BTDBd 式(2.5)2.3.4计算等效节点力2.3.5组装单元刚度矩阵形成整体刚度矩阵根据连

36、续体平衡条件建立联系整体节点位移和节点载荷的一个大型线性（或非线性）方程组，求解这个方程组得到节点位移值： kd = F 式(2.6)式中：K总体刚度矩阵；d整个连续体节点位移列阵；F节点载荷列阵。2.3.6求解未知节点位移、计算节点力 按问题的边界条件修改总的平衡方程。2.3.7单元应力和应变的计算在得到了节点的位移矢量后，根据固体力学或结构力学的有关方程即可算出单元的应力和应变。2.3.8整理分析结果并输出2.4 有限元分析法的应用优点有限元分析法的优点是解题能力强，可以比较精确地模拟各种复杂的曲线或曲面边界，网格的划分比较随意，可以统一处理多种边界条件，离散方程的形式规范，便于编制通用的

37、计算机程序，在固体力学方程的数值计算方面取得巨大的成功。但是在应用于流体流动和传热方程求解的过程中却遇到一些困难，其原因在于，按加权余量法推导出的有限元离散方程也只是对原微分方程的数学近似。当处理流动和传热问题的守恒性、强对流、不可压缩条件等方面的要求时，有限元离散方程中的各项还无法给出合理的物理解释。对计算中出现的一些误差也难以进行改进。有限元分析法在工程中最主要的应用形式是结构的优化，如结构形状的最优化，结构强度的分析，震动的分析等等。有限元分析法在超过五十年的发展历史中，解决了大量的工程实际问题，创造了巨大的经济效益。有限元分析法的出现，使得传统的基于经验的结构设计趋于理性，设计出的产品

38、越来越精细，尤为突出的一点是，产品设计过程的样机试制次数大为减少，产品的可靠性大为提高。压力容器的结构应力分析和形状优化，机床切屑过程中的振动分析及减振，汽车试制过程中的碰撞模拟，发动机的设计过程中的减振降噪分析，武器设计过程中爆轰过程的模拟、弹头形状的优化等等，都是目前有限元法在工程中典型的应用。经过半个多世纪的发展和在工程实际中的应用，有限元分析法被证明是一种行之有效的工程问题的模拟方法，解决了大量的工程实际问题，为工业技术的起步起到了巨大的推动作用。但是有限元分析法本身并不是一种万能分析、计算方法，并不适用于所有的工程问题。对于工程中遇到的实际问题，有限元法的使用取决于如下条件：产品实验

39、或制作样机成本太高，实验无法实现，而有限元计算能够有效地模拟出实验效果、达到实验目的，计算成本也远低于实验成本时，有限元分析法才成为一种有效的选择。待添加的隐藏文字内容3第3章 设计说明及车体刚度强度分析车体是车辆结构的主体。车体的强度、刚度 ,关系到运行安全可靠性和舒适性 ;车体的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法 ,关系到车辆外观、寿命和检修制度 ;车体的重量 ,则关系到能耗、加减速度、载客能力乃至列车编组形式 (动拖比 )。以上所述都直接影响运营质量和经济效益，所以，车体的强度、刚度分析可以在保证车辆安全可靠和舒适的前提下最大限度的轻量化车体。3.1作用在车辆上的载荷3.1.1垂向静载荷作

40、用在车体上的垂直静载荷Pst包括车体自重、车辆载重以及装备重量。1.车体自重在进行车辆强度计算时，车体自重包括车体钢结构、铝合金结构的重量，以及安装于车体上的车辆其它零、部件和设备的重量。2. 车辆载重包括车内检修工具和工作人员等。3. 装备质量3.1.2垂向动载荷垂直动载荷Pd是由于轨面不平、轨道接缝等线路原因以及由于车辆本身状态不良引起车轮轨道间冲击和车辆簧上振动而产生的。通常垂直动载荷由垂直静载荷乘以垂直动载荷系数而得，即PdKdyPst。3.1.3侧向力作用在车体上的侧向力包括风力和曲线运行时的离心力。风力按风压力乘以车体侧向投影面积计算。风压力取为0.54kNm2，风力的合力作用于车

41、体侧向投影面积的形心。3.1.4 其它力1.纵向冲击力 。2.制动力。3.通过曲线时钢轨的横向力。4.修理时加与车辆上的力。5.扭转载荷及垂直斜对称载荷。3.2主载荷的选择与确定因为工程车运行时，垂向动载荷为主载荷，PdKdyPst，Pst为垂向静载荷，Kdy为垂向动载荷系数，因为单轨车辆所行使的混凝土轨面比较平顺，参考汽车设计的垂向动载荷系数并考虑到单轨工程车运行的轨道比较平顺，Kdy取2。3.3 车体与底架的连接方式车体内外蒙皮焊接在骨架上，在每根骨架的下端都有一个支座，支座上有直径为12mm的通孔，在地板的外侧纵梁和横梁上也有通孔，底架上外侧横梁和纵梁有一面打孔，在底架和地板之间需要连接

42、的地方有一圈橡胶垫，通过螺栓和双螺母把底架和车体连接起来。3.4 底架与转向架的连接方式在底架与转向架连接的位置分别有两个直径为36的孔，转向架弹簧导向杆穿过底架上的孔，用双螺母固定。纵向力和横向力通过拉杆传递。3.5 创建有限元模型的方法与网格划分技术3.5.1 创建有限元模型两种方法1. 直接法：首先创建节点，然后利用节点创建单元，单个和多个单元组成一个有限元模型（不需要任何CAD模型）。2：几何模型网格划分法：首先创建或者导入CAD几何模型，然后利用网格划分工具将其划分成单元网格模型。因为几何模型在UG中建立的三维模型，所以，网格划分采用几何模型网格化分法。3.5.2 将CAD模型划分单

43、元网格模型的基本过程（1）定义单元类型。（2）定义单元实常数或者单元截面。（3）定义材料模型。（4）创建分析对象的几何模型。（5）给每个几何对象分配单元属性。在划分网格前，必须先给每个几何模型的点、线、体分配适当的单元属性，包括单元类型号、单元实常数号、材料号、单元坐标系、方向关键点等。（6）控制网格划分密度。总体网格尺寸。点附近区域密度控制。线上密度控制。面上密度控制。层密度控制。（7）选择单元形状和网格划分器类型。（8）执行网格划分操作。（9）执行网格检查。（10）合并模型与编号控制。（11）修改网格模型。局部网格加密。移动、删除等操作。修改单元法向或者方向。修改单元材料、实常数、材料等基

44、本属性。3.5.3 网格单元类型1. 从构成的学科领域分类（1）结构单元。（2）流体单元（包括声流体单元）。（3）热单元。（4）电路、电场和磁场单元。（5）耦合场单元。2. 单元维数与拓扑形式（1）二维或三维。（2）点单元（如质量单元）。（3）线单元（如弹簧、杆、梁等单元）。（4）面单元（如壳单元）。（5）体单元。（6）大多数三维块体单元能退化成四面体，大多数二维四边形单元能退化成三角形。3. 阶数与节点数目（1）线性（不带边中节点）和二次（带边中节点）单元。（2）线性单元可通过附加形函数改善其精度。（3）二次单元对给定单元网格提供了更高的精度，但如果需要可以删掉单元边界上的中间节点。3.6

45、底架强度刚度分析3.6.1 网格划分因为几何模型在UG中建立的三维模型，所以，网格划分采用几何模型网格化分法，网格单元选择四面体单元。如图 3-1图3-13.6.2 定义载荷的基本操作方法1.在实体几何模型上施加载荷2.在有限元模型上施加载荷3.6.3 结构载荷的种类1.位移载荷2.集中力载荷3.压力载荷（1）均匀分布（2）压力在一定方向上按梯度分布。1.）在选择的线上施加压力载荷。2.）在选择的面上施加压力载荷。3.）在选择的节点上施加节点压力载荷。4.）在选择的单元组包含的所有节点上施加压力载荷。5.）在选择的单元侧面上施加压力载荷。6.）在选择的单元组包含的所有单元上施加压力载荷。3.6.4 施加载荷与边界条件底架所受垂向载荷主要来自车体、地板、车内各种电气设备以及车内工作人员，所有垂向力均布作用在底架外围横梁和纵梁上表面，底架约束为转向架弹簧上支座与底架梁接触的地方，设定为固定约束。3.6.5 执行求解3.6.6 强度分析结果如图 3-2图 3-216MnL的屈服极限为345M