2006年第2期
玻璃钢/复合材料
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212 有限元建模及单元选择
司机室所受载荷进行简化。简化后司机室所受载荷主要有保护工况所要求的下窗处能承受总值为
300kN的压力及6KPa会车风压(见图1)。至于机车制动力对司机室的作用,因受车架刚度及司机室与车架连接方式的影响,暂不考虑。为满足保护工况的要求,钢骨架在前窗下部布置了厚10mm、间距200mm的两排板梁,其上覆以5mm厚的钢板,形成
为了简便计算的同时又不失真实性,在建立司机室有限元模型时做了以下处理:考虑到司机室结构和载荷都具有对称性,根据对称性原则,取司机室的半结构建立有限元模型。同时对于一些对结构刚度、强度影响不大的构件如车窗玻璃、车灯等,在建模时不做考虑,从而有效的简化了计算模
型(见图2)
。
局部的加强结构,承力面积约016m,故将300kN力均布于该面积上,500KPa的压强。司机。前窗玻璃以及,故施加固定约束。钢骨架与车架连接处为螺栓连接,因此施加UX、UY、UZ三向约束,在司机室对称面上施加对称约束。214 应力、变形分析
对司机室等效应力图和等效变形图的分析可得,司机室的最大应力发生在前窗下厚为10mm板梁与5mm焊接钢板的连接处,其值为297MPa,且在侧窗开孔处的局部区域存在较高的应力。最大变形量为219mm,位于受500KPa压强作用的钢板面内中部,同时在侧窗开口周边亦存在较大的变形。由进一步分析可知,钢骨架一方面是司机室的主承力框架,同时也是司机室刚度的重要保证,在司机室承载中具有重要作用。参考国内外复合材料司机室制造的成功经验,选择混杂结构作为司机室的结构形式,即司机室的承力框架仍选用钢骨架,蒙皮采用玻璃钢泡沫夹芯材料。
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图2 有限元模型
司机室结构分析中单元选择是其有限元计算中极其重要的环节,单元的类型应对结构的几何形状有良好的逼近,能真实反映结构受力状况,本文采用能承受平行和垂直中面载荷的SHELL63单元对板
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梁和蒙皮进行结构离散(见图3)。利用该单元能最大程度地对司机室的连接局部进行模拟,而且还能最大程度地反映结构的真实受力状况。
3 有限元分析及对比分析
复合材料司机室有限元模型加载和约束与钢制司机室模型基本一致。为得到一种相对合理的设计,需先对复合材料司机室进行试算,依据其试算分析的结果对钢骨架及蒙皮进行修改,调整钢骨架中的板梁布置,删除一些受力较小或布置过于密集的板梁,同时确定蒙皮的厚度,最终获得了下文所述的
图3 壳单元SHELL63
结构。
311 有限元模型的建立
蒙皮由30mm和80mm两种玻璃钢泡沫夹芯结构组成,玻璃钢上、下面板厚度一致。30mm玻璃钢泡沫夹芯结构的面板厚度为3mm,芯材厚度为24mm。80mm玻璃钢泡沫夹芯结构的面板为5mm,
213 加载与约束
司机室作为机车的一个主要部件,所受载荷作用也相当复杂,完全模拟会较困难。根据一般经验可知,司机室结构如满足最大静载荷作用要求,则其疲劳强度也将满足要求,故在此只考虑静载作用,对
芯材为70mm。复合材料司机室自重680kg。复合材料司机室有限元模型仍采用SHELL63对板梁进
FRP/CM 2006.No.2