【文章內容簡介】 穩(wěn)定性問題時，則用氣動彈性力學方法研究。 ④計算和分析結構在靜載荷作用下的應力、變形分布規(guī)律和屈曲模態(tài)，為其他方面的結構分析提供資料。 靜強度分析的內容也可通過靜力試驗測定或驗證。傳統(tǒng)的強度計算方法已不能滿足需求，各種新方法和新手段正在獲得發(fā)展。有限元法正在逐步取代用工程修正系數(shù)的半經驗的傳統(tǒng)方法，已經成為設計中的常規(guī)方法。結構分析系統(tǒng)是實現(xiàn)有限元素法數(shù)值計算的電子計算機軟件包。應用有限元素法和結構分析系統(tǒng),有可能在具體設計中對復雜結構進行彈塑性分析、非線性分析、最優(yōu)化分析等，從而取得更符合實際的結果。對于復合材料結構則需要建立新的強度理論、準則和分析方法。 疲勞強度理論疲勞強度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下，不產生破壞的最大應力稱為疲勞強度或疲勞極限。實際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗。機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環(huán)應力）。在交變應力的作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經過較長時間的工作后產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。 　　一般試驗時規(guī)定，鋼在經受107次、非鐵（有色）金屬材料經受108次交變載荷作用時不產生斷裂時的最大應力稱為疲勞強度。當施加的交變應力是對稱循環(huán)應力時，所得的疲勞強度用σ–1表示。 許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環(huán)應力）。在交變應力的作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經過較長時間的工作后產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。 疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據統(tǒng)計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經常造成重大事故，所以對于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來制造。 模態(tài)分析理論模態(tài)分析是研究結構動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用。模態(tài)是機械結構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態(tài)分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗模態(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗模態(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結構固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態(tài)的特性，就可以預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。因此，模態(tài)分析是結構動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法。 機器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際振動千姿百態(tài)、瞬息變化。模態(tài)分析提供了研究各類振動特性的一條有效途徑。首先，將結構物在靜止狀態(tài)下進行人為激振，通過測量激振力與響應并進行雙通道快速傅里葉變換（FFT）分析，得到任意兩點之間的機械導納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)分析理論通過對試驗導納函數(shù)的曲線擬合，識別出結構物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結構物的模態(tài)模型。根據模態(tài)疊加原理，在已知各種載荷時間歷程的情況下，就可以預言結構物的實際振動的響應歷程或響應譜。 本章小結理論基礎作為實踐的前提，能夠更加有效的幫助本論文向著正確的研究方向前進。本章通過對hypermesh、ANSYS、靜強度、疲勞強度、模態(tài)分析知識的學習，將所學內容運用到本論文的研究中去。第3章 模型建立與載荷計算 車體結構及材料簡介160km/h 行包車車體材質為鋼材，其中牽引梁乙型鋼材采用高強度耐候鋼Q450NQR1，其它底架主要型鋼、地板、門框、側墻角柱采用09CuPCrNiA，側墻板、端墻板和頂板等采用05CuPCrNi，側墻、端墻及車頂主要型鋼采用09CuPCrNiB。高強度耐腐蝕結構用熱連軋鋼板及鋼帶：Q450NQR1是機械制造業(yè)使用最廣泛的鋼之一。調質處理后具有良好的綜合力學性能。用途舉例：產品供制造集裝箱、鐵道車輛、環(huán)保設備、工程機械、建筑鋼構、結構件的焊接制造。耐腐蝕結構鋼是在鋼中加入少量的合金元素，如Cu、P、Cr、Ni、等。使其在金屬基體表面形成致密的、粘附性好的非晶態(tài)氧化層保護膜，從而使鋼的腐蝕過程幾乎不能深入進行，時間越長保護膜越致密，耐蝕作用越明顯，具有較高的耐大氣腐蝕性能，它比一般裸露金屬結構鋼性能更好。09CuPCrNi用途舉例：用于各種交通車輛、工程機械、塔架、集裝箱，結構件的焊接及制造。05CuPCrNi 用途舉例：主要是用于防止惡劣天氣，如酸雨、日曬、等，在室所架高的電線塔，信號塔基站等等具體材料應力評判標準如下表31。表31 材料許用應力表材料材質TB第一工況許用應力(MPa)TB第二工況許用應力(MPa)Q450NQR1高強度耐候鋼28138209CuPCrNi184250 有限元模型本論文先對車體的模型進行網格劃分。由于車體在整體上是對稱的，為了減少建模時間，加快研究進度，首先需將車體分割為原來的1/4。圖31 原車體模型采用板殼和實體單元對結構進行離散，模型統(tǒng)計數(shù)據列于下表32中。表32 模型統(tǒng)計數(shù)據單元類型Shell63Combin14Solid45單元尺寸40/20單元數(shù)1711446419888結點數(shù)163225圖32 1/4車體網格劃分圖通過網格劃分處理使得計算的結果更加精確。 載荷工況對網格劃分處理完后，將文件導入到ANSYS中來。根據不同的工況確定載荷步的添加。圖 33 ANSYS車體全圖 靜強度計算工況靜強度計算工況：根據“TB/T13351996”的有關內容，確定該車體的計算載荷。工況1：垂向總載＋側向力＋扭轉＋縱向拉伸1125KN工況2：垂向總載＋側向力＋扭轉＋縱向壓縮1400KN工況3：垂向靜載＋縱向壓縮2250KN [7]。根據運算工況需求，靜強度只需要四個載荷步。載荷步1：+縱向拉伸1125KN（見圖34）載荷步2：+縱向壓縮1400KN（見圖35）載荷步3：垂向靜載500KN+縱向壓縮2250KN（見圖36）載荷步4：（見圖37）其中垂向靜載為車輛的載重50t，g取10m/s2。載荷步4中將扭矩轉化為旁承上的力F=,。上述工況中：工況1是由載荷步1與載荷步4疊加；工況2是由載荷步2與載荷步4疊加；，可以得到相應工況的車體應力云圖。圖34 載荷步1圖35 載荷步2圖36 載荷步3圖37 載荷步4 疲勞強度計算工況參照AAR機務標準M100197“貨車設計制造規(guī)范”和 “EN12663:2000軌道車身的結構要求”中的有關內容制定出用于該車體結構疲勞壽命分析的載荷條件。參照AAR機務標準M100197“貨車設計制造規(guī)范”第7章“貨車的疲勞設計”中的載重50t行包車載荷譜（垂向心盤浮沉譜、縱向車鉤譜及車體扭轉譜）進行了校核。垂向心盤浮沉載荷譜：對車體承載面施加垂向載荷，通過約束心盤面來模擬心盤浮沉載荷，載荷譜由AAR機務標準中載重50t行包車的重車心盤載荷線路環(huán)境事件百分率譜換算后得出。設垂向載荷與軸重成比例?？v向車鉤載荷譜：載荷譜直接采用AAR機務標準中50噸行包車重、空車車鉤載荷的線路環(huán)境事件百分率譜。扭矩載荷譜：對車體對角兩旁承位置施加垂向載荷來模擬車體扭轉載荷，載荷譜參見AAR機務標準中載重50t行包車的重﹑空車扭矩載荷線路環(huán)境事件百分率