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高速列车复合材料司机室混杂结构有限元分析
2006年3月
行结构离散。采用具有激活夹芯结构功能的SHELL91对其进行结构离散(见图4)
。
[4]
,且将节点置于顶面
51图4 SHELL91单元
位的厚度,将80mm于司机室的前部,代替厚钢板承受500KPa的压强作用,其它部分蒙皮厚度为30mm。在保证司机室刚度和强度前提下适当去掉前窗和侧窗处的部分受力较小的钢梁。玻璃钢泡沫夹芯结构作为复合材料司机室的承力主体之一,材料的力学性能将直接影响其承载能力。本文中所采用的玻璃钢泡沫夹芯结构面板为利用RFI工艺制作的玻璃钢板,主要
原材料为014无碱玻璃方格布和环氧树脂膜(见表1)。夹芯层采用ROHACELL2110IG型泡沫夹芯(见
ANSYS计算结果表明,在
,钢骨架可能危险的截面位于前窗下部中间竖向与斜向支撑结合部,其最大应力为280MPa。司机室最大变形量为312mm,位于受500KPa压强作用的面内中部。蒙皮的危险截面出
现在500KPa压强作用下玻璃钢泡沫夹芯层结构上,玻璃钢泡沫夹芯层结构各层应力见表3。
表3 玻璃钢泡沫夹芯结构各层的最大应力
位置最值SX/MPaSY/MPaSZ/MPa/SXY/MPaSYZ/MPaSXZ/MPa
N玻璃钢MI
-319816
0197316010140121-315214
017621601230121-214115
01540113012101230133111
215013701090116119218
0178014801070112011111
上面板MAX夹芯层
MIN-01029MAX
0104-1318118
表2)。
表1 RFI工艺制备玻璃钢板的基本性能参数
材 料玻璃钢板
Vf45%
Ex/GPa1715
Ey/GPa1715
Gxy/MPa6015
Vxy0112
N玻璃钢MI
下面板MAX
表2 110IG型泡沫夹芯的基本性能参数
材 料ρ/kg m-3Ex/MPaGxy/MPa
110IG泡沫
Vxy0138
σx/MPaτxy/MPa
3
214
采用玻璃钢泡沫夹芯材料制造的复合材料司机室结构与钢制司机室比较,除前窗部分的板梁应力值较高外,钢骨架的其它部分及玻璃钢夹芯结构上、下面板的应力偏小。上板最大拉应力为816MPa,下板最大压应力为1318MPa。夹芯层中最大剪应力为0123MPa。没有出现原钢制司机室蒙皮与板梁在结合处及侧窗开洞部位应力集中的现象。与此同时,复合材料司机室的变形量略有增加,达到312mm。这是由于玻璃钢的弹性模量远小于钢材的弹性模量造成的,但大的变形仅出现在局部受大载荷作用的蒙皮上,而在侧窗开口周边处没有出现如钢制司机室那样的较大变形,说明复合材料司机室的整体刚度并未降低。
复合材料司机室夹杂结构的受力特征还表明,泡沫夹芯材料制造蒙皮能更有利于载荷均匀地传递到钢骨架上,更能发挥钢骨架与蒙皮共同承载的优势,从而起到增强司机室整体刚度和承担部分载荷
夹芯
11016050
312 蒙皮与钢板梁接合
对于本文研究的复合材料混杂结构而言,由于玻璃钢蒙皮及泡沫夹芯层与钢板梁的材料刚度差距比较大,其接合面的应力、应变状况相当复杂。但考虑到RFI工艺成型过程中,树脂将充满玻璃布及泡沫层间隙,钢板、玻璃布及泡沫夹芯通过树脂实现相互间的连接(见图5),且所用树脂的各项力学性能参数均高于夹芯层。为了更有效、更直接地对复合材料司机室进行整体结构分析,假设用于连接玻璃钢板、夹芯层及钢板梁的树脂粘结强度足够大,接合面不会先于泡沫夹芯材料及玻璃钢板破坏
。FRP/CM 2006.No.2