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在動(dòng)車組全線開通的同時(shí)，車體疲勞損傷及可靠性的問題表現(xiàn)的越來越突出，要保障列車的行駛安全，就必須對(duì)車體的可靠性和疲勞壽命提出更高的要求。在吸取國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展對(duì)CRH2動(dòng)車組車體疲勞強(qiáng)度分析的研究。有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)是一種高效能、常用的計(jì)算方法，其原理是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行有限元分析模擬。
動(dòng)車組在行駛中所受各個(gè)方向的扭轉(zhuǎn)等載荷，因此車體的強(qiáng)度和剛度必須達(dá)到要求。高速動(dòng)車組車體采用鋁合金整體結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)度和剛度達(dá)到所需狀態(tài)。同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。筒型鋁合金車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：工藝性好、減輕車輛自身重量、降低能耗、能有效的減少運(yùn)行成本和維護(hù)成本。近年來車體大量采用大型、中空、薄壁的鋁合金擠壓型材，提高了質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前高速動(dòng)車組所使用的鋁合金車體材料主要有5000系、6000系和7000系。5000系合金是形變Al-Mg合金，6000系合金是形變Al-Mg-Si合金，7000系合金是形變Al-Zn-Mg合金。CRH2型動(dòng)車組車體所采用鋁合金材料需具備以下性能：高強(qiáng)度、焊接性好、耐腐蝕性強(qiáng)，主要采用了5000系合金的5083，6000系合金的6N01，7000系合金的7N01等。這些合金的主要機(jī)械性能如表所列。CRH2型動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)主要分為頭車車體和中間車車體兩種。頭車車體由底架、側(cè)墻、車頂、端墻、車體附件及司機(jī)室頭部結(jié)構(gòu)組成，中間車車體由底架、側(cè)墻、車頂、端墻及車體附件組成。車體重量如表，車體的主要技術(shù)參數(shù)如表。車體由底架、車頂、側(cè)墻、端墻和司機(jī)室五部分焊接構(gòu)成。側(cè)墻和車頂為了提高車體剛度以及生產(chǎn)鋁，采用雙殼中空擠壓大型型材焊接而成，在側(cè)墻和車頂連接部位型材厚度隨車體斷面變化。其余部位材料厚度為50mm。并且省略了側(cè)柱、車頂彎梁等骨架支撐。使零件數(shù)量最小化，減小外表面的焊接變形。端墻是由雙殼中空擠壓型材、外板、內(nèi)板和骨架經(jīng)焊接后構(gòu)成的雙殼結(jié)構(gòu)。
動(dòng)車組車廂的裝配是運(yùn)用Solidworks中裝配體功能對(duì)所繪制的各個(gè)部分零件進(jìn)行裝配，生成裝配體，如圖所示。由于鋁合金中空結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和有限元方法的特點(diǎn)，這樣的中空結(jié)構(gòu)蒙皮和筋板的厚度只有幾毫米，而長(zhǎng)度方向卻和車體等長(zhǎng)，而有限元方法網(wǎng)格劃分卻要求每一部分至少應(yīng)該有一個(gè)單元，那么單元長(zhǎng)度就最大只能有幾毫米，這樣在長(zhǎng)度方向的網(wǎng)格數(shù)量就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過厚度方向上的數(shù)量并且數(shù)量很大，普通計(jì)算機(jī)根本無法計(jì)算，還很影響計(jì)算精度，因此，建立有限元模型的時(shí)候，就必須考慮到這個(gè)問題，目前，在處理這個(gè)問題方面，幾乎全部使用板殼單元來替代中空結(jié)依據(jù)車體的實(shí)體模型，在三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks中選用截面等效法建立了如圖所示的車體的簡(jiǎn)化模型，各主要部分結(jié)構(gòu)都采用沒有厚度的“曲面”特征建立，通過之前的截面等效法等效出結(jié)構(gòu)的厚度和彈性模量。這些參數(shù)將在有限元前處理過程中，輸入到有限元分析軟件進(jìn)行后續(xù)的分析計(jì)算。
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