高速動車組車體局部結構失穩有限元仿真裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高速動車領域，具體涉及車體結構的設計，特別是用于車體出現凹陷后的車體安全性的結構失穩性分析。
【背景技術】
[0002]動車組車體結構仿真分析主要參照相關強度標準，比如日本標準JIS E7105:2006、歐洲標準EN12663:2010和200公里強度暫規，對車體結構強度、剛度進行計算分析。這些計算載荷工況無法評估車體出現凹陷后的車體安全性。所以車體評估需要進行結構失穩性分析。

【發明內容】

[0003]提供一種高速動車組車體局部結構失穩有限元仿真裝置及其方法，通過采用有限元仿真方法，模擬車體結構完好和局部型材凹陷或凸起等缺陷狀態，分析動車組結構局部失穩的臨界載荷力。指導現車加工制造過程中的工裝施加、調休工藝以及焊接參數的設置。采用車體結構失穩仿真分析方法可比較準確評估在加工制造過程中車體出現凹陷或凸起等缺陷狀態，指導車體制造加工，避免車體制造過多材料浪費。
[0004]本發明的技術方案如下所述:
[0005]一種高速動車組車體局部結構失穩有限元仿真裝置，包括三大部分，第一部分為建立車體結構有限元模型模塊，第二部分為建立車體結構邊界條件模塊，第三部分為車體結構失穩仿真分析模塊，第一部分與第二部分均與第三部分相連接，具體地:
[0006]第一部分模塊，通過人機交互裝置獲得車體設計的形狀、尺寸而進行建模，還包括建立局部凹陷區域模型模塊，在車體局部建立模擬至少一個凹陷部；
[0007]第二部分模塊，包括通過人機交互裝置配置的建立車體邊界約束模塊、定義車體最大垂直載荷和壓縮載荷模塊、線性合成復合載荷模塊、定義車體模態頻率模塊、定義靜載荷工況模塊、定義線性屈曲分析工況模塊，其中:建立車體邊界約束模塊，在車體選取至少一個位置對于其自由度進行約束限制；定義車體最大垂直載荷和壓縮載荷模塊，在車體水平平面上平面施加均布載荷，該均布載荷為車體承受的最大垂直載荷；在車體的至少一個位置上建立縱向的壓縮載荷；線性合成復合載荷模塊，接收定義車體最大垂直載荷和壓縮載荷模塊的數據，線性合成該最大垂直載荷和壓縮載荷；定義車體模態頻率模塊，設定車體模態頻率的范圍值備用，提供給第三部分模塊；定義靜載荷工況模塊，對于車體的靜載荷進行設置備用；定義線性屈曲分析工況模塊，連接定義靜載荷工況模塊、定義車體模態頻率模塊，獲得靜載荷、模態頻率數據；
[0008]第三部分模塊，獲得第一部分、第二部分模塊的數據后，進行車體結構失穩仿真分析，包括依次連接的計算臨界屈曲系數模塊、提取臨界失穩載荷力模塊、比較分析車體結構強度載荷力與臨界失穩載荷力模塊，計算臨界屈曲系數模塊，輸出該凹陷部的臨界屈曲系數給提取臨界失穩載荷力模塊；提取臨界失穩載荷力模塊，得出該凹陷部處結構能夠施加的最大載荷，即得出車體局部結構失穩時的臨界失穩載荷力，輸出備用；比較分析車體結構強度載荷力與臨界失穩載荷力模塊，獲得車體局部結構失穩時的臨界失穩載荷力，經過車體結構強度分析后提取后該部位的載荷力，比較兩值大小，如果根據車體結構強度得出的載荷力小于臨界失穩載荷力，那么這種缺陷狀態車體結構在運行是可靠的，如果大于臨界失穩載荷力，那么這種缺陷車體結構就需要做進一步補強方案以提高缺陷部位的剛度。
[0009]進一步地，所述的第一部分模塊包括設置車體材料參數模塊、設置車體各部件板厚參數模塊、建立整車車體有限元模型模塊、建立局部凹陷區域模型模塊，其中設置車體材料參數模塊獲得車體采用的材料參數；設置車體各部件板厚參數模塊，根據車體設計圖紙資料，獲得車體各部件結構的板厚的屬性賦值；建立整車車體有限元模型模塊，根據圖紙中的車體結構建立車體有限元模型，車體結構用四邊形板單元，局部用三角形板單元進行模擬，獲得車體結構二維模型；建立局部凹陷區域模型模塊，在整車車體有限元模型中，建立局部區域的凹陷模型，設置凹陷部I尺寸。
[0010]進一步地，所述的第三部分模塊中，還包括判定該部分車體結構可靠模塊、判定該部分需要補強模塊，比較分析車體結構強度載荷力與臨界失穩載荷力模塊根據數據分析結果，如果臨界屈曲系數大于等于I則與判定該部分車體結構可靠模塊連接，或如果臨界屈曲系數小于I則與判定該部分需要補強模塊連接。
[0011]進一步地，所述的建立車體邊界約束模塊中，在車體四個空簧2上約束其三個方向的平動自由度。
[0012]進一步地，所述的壓縮載荷設置為:在車鉤安裝座處施加車體縱向載荷；所述的最大垂直載荷設置為:在車體地板上平面施加均布載荷。
[0013]進一步地，所述的最大垂直載荷為547.6kN，即在車體地板上平面施加547.6kN的均布載荷；所述的壓縮載荷為1500kN，即在車鉤安裝座施加車體縱向的1500kN。
[0014]進一步地，所述的建立整車車體有限元模型模塊中，所述的板單元的大小設置為20mm ;所述的定義車體模態頻率模塊中，模態頻率范圍定義為I?40HZ。。
[0015]進一步地，所述的建立局部凹陷區域模型模塊中，凹陷部尺寸為凹陷深度4mm，凹陷長度3800mm。
[0016]一種高速動車組車體局部結構失穩有限元仿真方法，包括以下步驟:
[0017]第一步，通過人機交互裝置對車體設計的形狀、尺寸而進行建模，并建立車體局部凹陷區域的模型，在車體局部建立模擬至少一個凹陷部；
[0018]第二步，通過人機交互裝置配置車體結構的邊界條件，執行步驟依次包括:
[0019]SI建立車體邊界約束，在車體選取至少一個位置對于其自由度進行約束限制；
[0020]S2定義車體最大垂直載荷和壓縮載荷，在車體水平平面上平面施加均布載荷，該均布載荷為車體承受的最大垂直載荷；在車體的至少一個位置上建立縱向的壓縮載荷；
[0021]S3線性合成復合載荷，設置車體最大垂直載荷和壓縮載荷模塊的數據后，線性合成該最大垂直載荷和壓縮載荷；
[0022]S4定義車體模態頻率，設定車體模態頻率的范圍值備用；
[0023]S5定義靜載荷工況，對于車體的靜載荷進行設置備用；
[0024]S6定義線性屈曲分析工況模塊，配置已設定的靜載荷、模態頻率數據；
[0025]第三步，進行車體結構失穩仿真分析，經過計算得出該凹陷部的臨界屈曲系數0.X，結果表明在初始施加載荷的x%時，結構已經出現失穩現象，進而得出該結構能夠施加的最大載荷；如果臨界屈曲系數大于等于I則判定該部分車體結構可靠；如果臨界屈曲系數小于I則判定該部分需要補強。
[0026]一種高速動車組車體局部結構失穩有限元仿真方法，其步驟如下:
[0027]Step I輸入車體材料的各項參數；
[0028]Step 2依據車體設計圖紙資料，對車體各部位結構的板厚進行屬性賦值；
[0029]Step 3根據圖紙中的車體結構建立車體有限元模型，車體結構用四邊形，局部用三角形板單元模擬，獲得車體的二維模型；
[0030]Step 4在整車車體有限元模型中，建立局部區域的凹陷模型，設置凹陷區域的凹陷深度、凹陷長度；
[0031]Step 5配置建立車體的邊界約束條件:在車體四個空簧位置約束三個方向的平動自由度，后續的車體約束中保持該配置處于激活狀態；
[0032]Step 6設置最大垂直載荷和壓縮載荷，后續的車體載荷施加中保持相應卡片處于激活狀態；在車鉤安裝座施加車體縱向的壓縮載荷，在車體地板上平面施加均布的最大垂直載荷。
[0033]Step 7進行復合工況的計算，