【文章內(nèi)容簡介】 穩(wěn)定性問題時，則用氣動彈性力學(xué)方法研究。 ④計算和分析結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的應(yīng)力、變形分布規(guī)律和屈曲模態(tài)，為其他方面的結(jié)構(gòu)分析提供資料。 靜強度分析的內(nèi)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(jīng)驗的傳統(tǒng)方法，已經(jīng)成為設(shè)計中的常規(guī)方法。結(jié)構(gòu)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(yīng)用有限元素法和結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng),有可能在具體設(shè)計中對復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)果。對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)則需要建立新的強度理論、準(zhǔn)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(chǎn)生破壞的最大應(yīng)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(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)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(jīng)受107次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受108次交變載荷作用時不產(chǎn)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞強度。當(dāng)施加的交變應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)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(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)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(jù)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(jīng)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(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)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(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗?zāi)B(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)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(jié)構(gòu)物在靜止?fàn)顟B(tài)下進行人為激振，通過測量激振力與響應(yīng)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(dǎo)納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)分析理論通過對試驗導(dǎo)納函數(shù)的曲線擬合，識別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。根據(jù)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(yù)言結(jié)構(gòu)物的實際振動的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜。 本章小結(jié)理論基礎(chǔ)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(xué)習(xí)，將所學(xué)內(nèi)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(jié)構(gòu)及材料簡介160km/h 行包車車體材質(zhì)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(cè)墻角柱采用09CuPCrNiA，側(cè)墻板、端墻板和頂板等采用05CuPCrNi，側(cè)墻、端墻及車頂主要型鋼采用09CuPCrNiB。高強度耐腐蝕結(jié)構(gòu)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(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能。用途舉例：產(chǎn)品供制造集裝箱、鐵道車輛、環(huán)保設(shè)備、工程機械、建筑鋼構(gòu)、結(jié)構(gòu)件的焊接制造。耐腐蝕結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)力評判標(biāo)準(zhǔn)如下表31。表31 材料許用應(yīng)力表材料材質(zhì)TB第一工況許用應(yīng)力(MPa)TB第二工況許用應(yīng)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(wǎng)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(jié)構(gòu)進行離散，模型統(tǒng)計數(shù)據(jù)列于下表32中。表32 模型統(tǒng)計數(shù)據(jù)單元類型Shell63Combin14Solid45單元尺寸40/20單元數(shù)1711446419888結(jié)點數(shù)163225圖32 1/4車體網(wǎng)格劃分圖通過網(wǎng)格劃分處理使得計算的結(jié)果更加精確。 載荷工況對網(wǎng)格劃分處理完后，將文件導(dǎo)入到ANSYS中來。根據(jù)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(jù)“TB/T13351996”的有關(guān)內(nèi)容，確定該車體的計算載荷。工況1：垂向總載＋側(cè)向力＋扭轉(zhuǎn)＋縱向拉伸1125KN工況2：垂向總載＋側(cè)向力＋扭轉(zhuǎn)＋縱向壓縮1400KN工況3：垂向靜載＋縱向壓縮2250KN [7]。根據(jù)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(zhuǎn)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(yīng)工況的車體應(yīng)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(wù)標(biāo)準(zhǔn)M100197“貨車設(shè)計制造規(guī)范”和 “EN12663:2000軌道車身的結(jié)構(gòu)要求”中的有關(guān)內(nèi)容制定出用于該車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析的載荷條件。參照AAR機務(wù)標(biāo)準(zhǔn)M100197“貨車設(shè)計制造規(guī)范”第7章“貨車的疲勞設(shè)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(zhuǎn)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(wù)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)垂向載荷與軸重成比例。縱向車鉤載荷譜：載荷譜直接采用AAR機務(wù)標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)載荷，載荷譜參見AAR機務(wù)標(biāo)準(zhǔn)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