车辆结构分析中构造车体板梁结构的方法技术

一种车辆结构分析中构造车体板梁结构的方法，用以处理铁道车辆车体钢结构中板梁组合式结构的静力问题，其特征在于所述方法包括：在梁单元和板单元的连接处建立板梁组合式结构，构建板梁偏心连接时偏心节点的偏心位移关系式，然后分别基于罚单元法和Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子法编制出构造板梁组合结构的有限元程序，分别用于求解板梁组合结构以及板单元或梁单元单独存在时的静力问题。该方法能够解决梁单元因偏心连接而对组合结构总体刚度矩阵的贡献问题，且该板梁组合结构的总体单元及节点数少，计算占用机时少，计算费用低，结果与实际情况较符合，是构造车体板梁结构行之有效的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于车辆结构强度的可靠性与安全性分析领域，具体涉及铁道机车车辆的车体结构有限元分析及结构优化设计中，进行构造车体结构中典型板梁组合结构模型的构造方法。
技术介绍
近年来，随着铁路事业的不断发展，高速、重载成为了铁路现代化的重要标志之一。列车速度的提高、轴重的增大对机车车辆各主要承载部件(轮对、构架、车体等)的安全性、可靠性提出了更高的要求。对于铁路运输部门来说，铁路运输的可靠性、安全性一直都是铁路运输事业发展的前提，而结构强度的可靠性与安全性是其关键技术之一。随着现代计算机技术和有限元技术的发展，根据现代数学和力学理论，采用有限元方法技术进行机车车辆零部件和车体结构强度分析已成为设计铁道车辆部件和考核铁道车辆强度的有效手段，将其应用于产品的设计和开发，不仅能够节省成本，还能大大缩短产品的设计周期和开发周期。 有限元方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，并是当今技术科学发展和工程分析中获得最广泛应用的数值方法。有限元法发展至今，以其对求解区域形状良好的适应性和灵活、高效的逼近算法，受到工程技术界的高度重视。随着有限元理论的不断成熟，计算机软硬件的发展以及各种功能完备的大型商业化有限元软件的出现，使解题规模和求解精度都有了很大的提高，有限单元法已成为现代铁道机车车辆车体等结构强度分析常用的计算方法。 现代铁道机车车辆车体是由板、梁组合而成的一个复杂空间结构，铁路客车侧墙板与侧墙立柱的焊接结构，车顶面与车顶梁的焊接结构，地板与底架横梁的焊接结构等等，均是由板和梁组合构成。而在车辆结构强度分析中，如何合理处理车体钢结构中典型的板梁组合式结构，对计算结果的正确性与精度影响较大。 在一些常用的有限元商业分析软件中，梁单元、板单元、实体单元是进行铁道车体结构有限元分析的常用单元。其中以梁单元建立的有限元模型具有占用空间少、计算速度快的优点，但是使用范围窄；而板壳单元是模拟薄板最经济有效的单元，但是由于它假设弯曲应力沿单元厚度方向线性变化，并且为了得到理想的结果，板壳单元必须建立在实际结构的中性面上；实体单元是计算结果最精确的一种单元，但是在弯曲变形的计算中，为达到和板壳单元相同的精度，实体单元必须划分得更加密一些，这样就占用了大量的空间和计算时间。基于梁单元、板单元和实体单元的以上特点，在构造车体钢结构中典型的板梁组合式结构进行有限元结构分析时，如果采用全实体单元，会由于网格适应结构的几何特点，使单元不同方向的刚度系数相差很大，从而导致求解方程病态或奇异，而且单元总数比较庞大；如果全部采用板壳单元，会使结构总体刚度偏大，并且由于单元节点总数过于庞大，使得实际计算耗时较大。
技术实现思路
本专利技术是基于对板梁结构进行研究的基础上提出的，其分别基于罚单元法和Lagrange乘子法来处理板、梁结构的偏心连接关系，构造了板梁组合结构有限元模型，并编制出了板梁组合结构的有限元程序，可用于求解板梁组合结构以及板单元或梁单元单独存在时的静力问题。该方法能够解决梁单元因偏心连接而对组合结构总体刚度矩阵的贡献问题，且该板梁组合结构的总体单元及节点数少，计算占用机时少，计算费用低，结果与实际情况较符合，是构造车体板梁结构行之有效的方法。 本专利技术所采用的技术放案如下 一种，用以处理铁道车辆车体钢结构中板梁组合式结构的静力问题，其特征在于所述方法包括 在梁单元和板单元的连接处建立板梁组合式结构，构建板梁偏心连接时偏心节点的偏心位移关系式，然后分别基于罚单元法和Lagrange乘子法编制出构造板梁组合结构的有限元程序，分别用于求解板梁组合结构以及板单元或梁单元单独存在时的静力问题。 具体地讲，采用罚单元法构造板梁组合结构的方法包括 选取梁单元上的一第一节点和板单元上的一对应第二节点组成组成罚单元的两个节点，设定每个节点具有6个自由度3个线位移和3个角位移，通过第一节点与第二节点的位移关系构造出其位移关系时，最后将位移关系式引入到有限元平衡方程中，得到罚单元的刚度矩阵。 另外，采用Lagrange乘子法来构造板梁组合结构的方法包括 先建立板单元和梁单元的模型，分别求出板单元和梁单元的单元刚度矩阵，将板单元和梁单元的单元刚度矩阵组集到总体刚度矩阵中，再根据板梁组合结构中板单元、梁单元的相关节点满足的约束方程，扩充为总体刚度矩阵，然后求解得到各个节点的位移值。 再者，所述方法进一步包括 首先在局部坐标系下，根据板单元的节点信息构造板单元模型并建立板单元刚度矩阵方程； 其次在局部坐标系下，根据梁单元的节点信息构造梁单元模型并建立梁单元刚度矩阵方程； 然后进行板梁组合式结构的建立。 上述板单元刚度矩阵方程的建立方法包括 将四边形平面应力单元和四边形弯曲板单元组合起来形成板单元，其中四边形平面应力单元为每个单元的4个节点分别具有两个自由度的平面四边形等参单元；所述四边形弯曲板单元为基于三角形弯曲板单元构造，以实现与四边形平面应力单元组合构成四边形平板单元。 上述梁单元刚度矩阵方程的建立方法包括 根据梁单元的受力方式，定义梁单元的一单元节点具有6个自由度3个线位移和3个角位移，得到单元节点力方程和单元节点位移方程，据此得到梁单元刚度矩阵方程 所述方法进一步包括采用单点约束模型或双点约束模型构造梁组合结构有限元模型； 所述单点约束模型的构造方法包括板采用板壳单元模拟板的中性面，梁 采用梁单元，选取板单元上的一节点和梁单元上的对应节点采用约束方程处理； 所述双点约束模型的构造方法包括板采用板壳单元来模拟板的中性面，梁采用梁单元，选取板单元上的两个节点与梁单元上对应的一节点采用约束方程处理。 一种，其特征在于所述方法具体包括 根据单元节点拓扑信息、梁单元和板单元的节点信息进行数据处理；判断单元类型，并根据判断，分别在局部坐标系下分别对板单元和梁单元的刚度矩阵进行求解； 根据单元节点拓扑信息将局部坐标系下的板单元和梁单元的刚度矩阵进行组集，得到总刚度矩阵； 基于罚单元法，处理板梁结构的偏心连接关系，得到罚单元刚度矩阵，将罚单元刚度矩阵组集到总刚度矩阵中； 基于Lagrange乘子法，求出全部的独立变量和节点位移，扩充总刚度矩阵； 求解基于罚单元法得到的总刚度矩阵和基于Lagrange乘子法扩充的总纲度矩阵。 具体地讲，所述求解基于罚单元法得到的总刚度矩阵的方法包括用直接消元法解大型正定对称稀疏线性方程组；所述求解基于Lagrange乘子法扩充的总纲度矩阵的方法包括使用Gauss消元法解一般的稀疏线性方程组。 再者，该方法进一步包括 将基于罚单元法得到的总刚度矩阵的求解与基于Lagrange乘子法扩充的总纲度矩阵的求解进行比较和校核。 该在在梁单元和板单元的连接处采用板梁组合式结构，尤其适用于模型较大的计算，例如各类大型车体结构强度分析，不仅减少了求解方程的自由度，从而减少了计算耗时，而且大大降低了计算费用，更重要的是能克服由于求解方程刚度系数间的巨大区别而引起的数值求解上的困难 在进行板单元构建时，板单元是将四边形平面应力单元和四边形弯曲板单元组合起来形成的，四边形平面应力单元是每个单元的4个节点分别具有两个自由度(ui与vi，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车辆结构分析中构造车体板梁结构的方法，用以处理铁道车辆车体钢结构中板梁组合式结构的静力问题，其特征在于所述方法包括：　在梁单元和板单元的连接处建立板梁组合式结构，构建板梁偏心连接时偏心节点的偏心位移关系式，然后分别基于罚单元法和Ｌ ａｇｒａｎｇｅ乘子法编制出构造板梁组合结构的有限元程序，分别用于求解板梁组合结构以及板单元或梁单元单独存在时的静力问题。

【技术特征摘要】
1.一种车辆结构分析中构造车体板梁结构的方法，用以处理铁道车辆车体钢结构中板梁组合式结构的静力问题，其特征在于所述方法包括在梁单元和板单元的连接处建立板梁组合式结构，构建板梁偏心连接时偏心节点的偏心位移关系式，然后分别基于罚单元法和Lagrange乘子法编制出构造板梁组合结构的有限元程序，分别用于求解板梁组合结构以及板单元或梁单元单独存在时的静力问题。2.根据权利要求1所述的车辆结构分析中构造车体板梁结构的方法，其特征在于采用罚单元法构造板梁组合结构的方法包括选取梁单元上的一第一节点和板单元上的一对应第二节点组成组成罚单元的两个节点，设定每个节点具有6个自由度3个线位移和3个角位移，通过第一节点与第二节点的位移关系构造出其位移关系时，最后将位移关系式引入到有限元平衡方程中，得到罚单元的刚度矩阵。3.根据权利要求1所述的车辆结构分析中构造车体板梁结构的方法，其特征在于采用Lagrange乘子法来构造板梁组合结构的方法包括先建立板单元和梁单元的模型，分别求出板单元和梁单元的单元刚度矩阵，将板单元和梁单元的单元刚度矩阵组集到总体刚度矩阵中，再根据板梁组合结构中板单元、梁单元的相关节点满足的约束方程，扩充为总体刚度矩阵，然后求解得到各个节点的位移值。4.根据权利要求1所述的车辆结构分析中构造车体板梁结构的方法，其特征在于所述方法进一步包括首先在局部坐标系下，根据板单元的节点信息构造板单元模型并建立板单元刚度矩阵方程；其次在局部坐标系下，根据梁单元的节点信息构造梁单元模型并建立梁单元刚度矩阵方程；然后进行板梁组合式结构的建立。5.根据权利要求4所述的车辆结构分析中构造车体板梁结构的方法，其特征在于板单元刚度矩阵方程的建立方法包括将四边形平面应力单元和四边形弯曲板单元组合起来形成板单元，其中四边形平面应力单元为每个单元的4个节点分别具有两个自由度的平面四边形等参单元；所述四边形弯曲板单元为基于三角形弯曲板单元构造，以实现与四边形平面应力单元组合构成四边形平板单...

【专利技术属性】
技术研发人员：田红旗，姚松，姚曙光，许平，鲁寨军，谢素超，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43[]