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隨著軌道交通事業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，高效便捷的軌道交通受到越來越多城市的青睞，并且對車體綜合性能的要求越來越高。車頂骨架作為車輛內(nèi)裝的重要組成部分，尤其在支撐車頂風(fēng)道等結(jié)構(gòu)和減少振動方面起到了不可缺少的作用。減輕車頂自身質(zhì)量一方面節(jié)約了原材料，降低了生產(chǎn)成本；另一方面也使結(jié)構(gòu)各處應(yīng)力的合理有效的分布，避免局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞，因此設(shè)計(jì)出質(zhì)量輕而各方面性能又達(dá)到要求的車頂是一項(xiàng)重要任務(wù)。本研究對某公司開發(fā)的新型地鐵的車頂骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，得到了產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，并且制定了滿足應(yīng)力要求的優(yōu)化方案，通過對比得出方案滿足整體強(qiáng)度要求且優(yōu)化后應(yīng)力分布變得更加均勻，該優(yōu)化方案具有一定的實(shí)用性為同類車型的車頂骨架開發(fā)提供了一定得參考價值。
作為車輛內(nèi)裝的重要組成部分，車頂骨架主要包含三個主結(jié)構(gòu)，由上到下依次為風(fēng)道結(jié)構(gòu)、中頂板結(jié)構(gòu)以及扶手結(jié)構(gòu)。車頂骨架結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于最后整車模塊化拼裝。每個骨架模塊中，風(fēng)道結(jié)構(gòu)由3根支撐梁承載，支撐梁的兩端通過吊座用螺栓連接于車頂鋁合金型材的滑槽中，中頂板結(jié)構(gòu)的兩邊預(yù)置了兩根安裝的邊梁，邊梁通過螺栓與風(fēng)道下部的頂板邊梁連接，同時中頂結(jié)構(gòu)兩邊與邊頂板搭接，邊頂板直接固定在側(cè)墻，扶手上端安裝在支撐梁凹槽中，下端與浮置地板相連。圖為車頂骨架結(jié)構(gòu)各部分的結(jié)構(gòu)示意圖，由上到下依次為風(fēng)道和吊座結(jié)構(gòu)，支撐梁結(jié)構(gòu)，中頂板結(jié)構(gòu)和扶手結(jié)構(gòu)。
由于該地鐵車頂骨架結(jié)構(gòu)是由板、梁組成的復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)，各個組件的厚度都比較薄，而且與長度相差太大，理論上各構(gòu)件都可看作是薄壁板殼結(jié)構(gòu)，因而可以全部采用板殼單元建立計(jì)算模型.將三維模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，對實(shí)體幾何進(jìn)行抽中面，并根據(jù)實(shí)際情況針對各個中面進(jìn)行連接，采用Altair公司的Hypermesh劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分前對各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模塊分組，為提高整個網(wǎng)格劃分的速度和保證網(wǎng)格的質(zhì)量，縮短計(jì)算時間，需對該車頂骨架幾何模型進(jìn)行清理，去除對分析結(jié)果影響較小的倒圓以及小孔等幾何區(qū)域，在本次有限元模型建模中，針對螺栓連接進(jìn)行一定的簡化，螺栓連接的兩個部件，根據(jù)螺母或者墊片大小在連接處生成相應(yīng)網(wǎng)格區(qū)域，并通過剛性單元將該區(qū)域的從節(jié)點(diǎn)與其中心處的主節(jié)點(diǎn)連接，用與螺栓相同截面的梁單元連接兩個剛性單元的主節(jié)點(diǎn)，模擬螺栓連接處的實(shí)際受力情況，上圖為幾何中面，下圖為有限元螺栓連接模型。扶手部分忽略外部裝飾殼建模，只對鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模擬，扶手安裝座和扶手內(nèi)套筒采用六面體實(shí)體單元進(jìn)行劃分，實(shí)體單元與二維殼單元以及一維梁單元的節(jié)點(diǎn)自由度不匹配，故在實(shí)體單元表面覆蓋一層0.1mm厚的板單元，使實(shí)體單元的表面節(jié)點(diǎn)由原先的3個自由度轉(zhuǎn)變?yōu)?個自由度，扶手安裝結(jié)構(gòu)如圖所示，扶手安裝結(jié)構(gòu)中的銷結(jié)構(gòu)通過相同截面的梁單元進(jìn)行模擬，扶手部分中三通座同時連接立柱扶手桿和橫扶手桿三個桿件，三通座對與扶手桿有緊固作用，涉及到非線性接觸，為了保證分析在線性域內(nèi)進(jìn)行，采用剛性單元模擬扶手桿和三通座之間的緊固作用，使兩部分的自由度耦合，圖為三通座與扶手桿連接示意圖，紅色部分為剛性單元及模擬螺釘?shù)牧簡卧槍ι鲜鼋Y(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝，生成車頂骨架單個模塊，方便后期整備車輛模型的拼裝。圖為最后劃分好網(wǎng)格的車頂骨架模塊效果圖，最后在Hypermesh中賦予材料屬性和板厚，其材料特性見表。
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