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摘要：本文提出一种关于有轨电车车体钢结构有限元分析的新方法。此方法采用Ansys Workbench软件上的概念建模方法快速的得出车体钢结构有限元模型，在计算分析的基础上，研究了有轨电车车体钢结构在压缩工况下受力和变形特点，找出车体刚结构力传递的方式、容易变形的位置与各位置应力大小以及应力方向。
本文采用的方法，只需要知道车体的整体外形尺寸和结构特点，建模与分析快速，所以在经验不足或者经验缺乏的情况下，能为车体钢结构设计研究的前期提供设计依据，使有轨电车的研制更有效率。
关键词：车体钢结构；有限元；概念建模；快速；依据
1 绪论
1.1研究背景
有轨电车车体作为整车的重要组成部分，其设计技术尤为重要。在经验不足或者经验缺乏的情况下，对有轨电车车体钢结构的研制，无疑存在不少的困难，更是加长了有轨电车研制的周期。并且在研制期间，车体钢结构最终设计方案的确定，必须在通过对车体钢结构进行了有限元分析计算，其强度、刚度都满足设计要求的前提下。因此，缺乏经验的情况下，需在车体钢结构方案调整与车体钢结构有限元分析计算两者间反复作业，从而增加研制工作的任务量和时间。
若能在车体钢结构初步设计前能得到设计的依据，了解在工况下力在车体钢结构的传递的方式，容易应力力集中的部位等，就能有效地解决上述所说的研制困难，提高研制效率、缩短研制周期。本文主要以有轨电车拖车模块为对象，介绍一种在Ansys Workbench软件上进行车体钢结构强度分析的新方法，以便使后续的有轨电车车体建模和分析变得更有效率。
1.2研究方法
本文采用Ansys Workbench软件上的概念建模方法将有轨电车的车体钢结构骨架定义为线体，作为车体钢结构梁单元，车体钢结构中的板件定义为无厚度的壳体，作为车体钢结构壳单元。该方法不仅对梁的横截面和板件的厚度更改方便，更减少了相对于实体单元而言，于计算中消耗过多的内存导致内存不足和计算时间过长的问题。
2 车体钢结构强度分析计算
2.1建立有限元模型
概念模型的创建，主要是提取有轨电车拖车车体的两端墙面、两侧墙面、车顶面和底架面，并在面上做印痕操作，在印痕上提取车体钢结构梁单元的边，并对边赋予横截面，就构成了组成车体钢结构的梁。利用梁单元的边，创建壳单元的面，并赋予厚度，就得到了所需要的板件。梁结构与板结构创建完成后，对模型做连接与耦合处理，以便使模型网格划分时，模型的线、面网格都协调一致。车体外形面印痕操作后的结果如图2.1.1所示；提取边与面后得到的车体钢结构如图2.1.2所示。
2.2网格划分
对全部梁单元的横截面赋予为80x80x4mm的方钢管，对全部板件赋予6mm的厚度以及对梁与板件的材料选择为默认的材料—钢，其泊松比为0.3，弹性模量为2e+5 MPa；定义网格单元尺寸为20mm，划分网格结果如图2.2所示、网格的单元与节点信息如表2.2所示。
从表2.2可以看出，模型的节点数为20280，单元数为11851，Element Quality是基于一个给定单元的体积与边长间的比，其值处于0和1之间，0为最差，1为最好。Jacobian Ratio是在单元的一些特定点上计算出雅可比矩阵行列式，其值为最大值与最小值的比率，其值越大说明单元与扭曲，其中1为最好。从表1中的数据来看，模型的网格质量还是不错的。
2.3分析计算
下面以有轨电车拖车车体钢结构的压缩工况为例，分析计算车体钢结构在压缩工况下的受力状况。
2.3.1约束条件和加载位置
在车体底架一端的端梁与固定铰连接的位置，添加全部自由度为零的固定约束，在另一端的端梁与固定铰连接的位置施加大小为300KN，方向与车体纵向平行指向车体内的压缩力，在车体底架钢结构与二系簧接触的两个板件上添加Z方向位移为零的位移约束，给模型赋予自重。
2.3.2计算结果
由于模型采用的是梁单元，计算出来的是正应力和复合应力，只有在BeamTool梁工具才能显示出来，故添加BeamTool便于查看梁的应力情况；另外添加Deformation变形方法查看车体有限元模型计算分析后的总变形情况。
2.3.3结果分析
从应力分布图来看，在纵向压缩工况下车体钢结构的主要力传递结构为底架中间的两根纵梁，其次是两根边梁，其他结构加以辅助。对于整个车体刚结构应力的方向，从应力分布图得知车体底架钢结构的纵梁与边梁的应力数值为负值，说明纵梁和边梁主要受压应力；车顶、端墙、侧墙刚结构的应力值主要为正值，说明这些刚结构主要受拉应力。除此外，侧墙窗框架中间立柱的应力值主要为负值，说明该立柱主要受压应力。
从变形分布图来看，变形最大值出现在底架钢结构端梁压缩载荷的施加处，说明端梁的刚度不够或者该处结构存在不合理因素，需要改善结构。其次是与端梁连接的过渡梁出现刚度不足的情况。
通过对应力分布图和变形分布图的分析，在进行车体钢结构设计时对相对应的地方适当地改变横截面、改善结构等，将减少有轨电车车体钢结构设计方案修改的次数和工作量。
2.4优化
本处将对上述分析得出的主要承力结构进行简单的横截面大小修改，增大纵梁、端梁、边梁和窗框架中间立柱的横截面面积，计算分析后结果如下：
从优化后的计算结果可以看出，增加上述结构梁单元的截面能进一步减小钢结构的应力；增加上述结构梁单元的截面能进一步减小钢结构的变形。由于在Ansys Workbench上改变梁的截面只需要修改横截面的尺寸，而且网格划分时，梁单元只对线段划分网格，这方法简单快速，在经验不足的研发前期，可以尝试定义不同的横截面，通过计算分析，得到合适尺寸，以此作为钢结构设计的依据，就能减小车体钢结构方案的调整与车体钢结构后续有限元分析计算两者间反复进行的次数。
当然，增车体加钢结构的强度和刚度并不只能依靠改变梁单元横截面的方法，这还涉及到结构设计得是否合理等，上述的简单优化只是提供一个方向。
3总结与展望
3.1本文的主要结论
本文介绍的方法只需要知道车体的整体外形尺寸和结构特点就能快速建模，并且能快速得到计算分析结果。通过该方法做车体钢结构设计前的有限元计算分析，就能知道车体钢结构在工况下的受力情况，如主要的力传递结构是哪些、应力大的位置在哪里、某个位置的强度或者刚度不足等，在进行车体钢结构设计时对于相对应的位置做强度、刚度加强有或者是结构改善处理，能在经验不足或者经验缺乏的情况下，提高有轨电车的研制效率。
3.2有待进一步研究的问题
本文虽然完成了初步设定的研究，但仍存在着一些不足和后续工作等着继续进行研究。首先是本次研究所创建的模型比较粗糙，对于某些有轨电车钢结构需要的结构过于简化，如上述模型中缺少枕梁结构；其次是对于工况分析只分析了压缩工况，车体有限元模型在其他工况下的受力情况未研究。
上述两种不足的存在并不影响本次论文的主要目的，但是为了使结论更可靠，更有参照性，对于本文后续的研究应该完善存在的不足。
参考文献：
[1]黄志新，刘成柱.ANSYS WorkBench 14.0超级學习手册.北京：人民邮电出版社，2013.4
[2]贠亚杰，刘超.ANSYS WORKBENCH全船结构有限元分析新流程.CAD/CAM与制造业信息化2012年 第6期 43-47页
本文采用的方法，只需要知道车体的整体外形尺寸和结构特点，建模与分析快速，所以在经验不足或者经验缺乏的情况下，能为车体钢结构设计研究的前期提供设计依据，使有轨电车的研制更有效率。
关键词：车体钢结构；有限元；概念建模；快速；依据
1 绪论
1.1研究背景
有轨电车车体作为整车的重要组成部分，其设计技术尤为重要。在经验不足或者经验缺乏的情况下，对有轨电车车体钢结构的研制，无疑存在不少的困难，更是加长了有轨电车研制的周期。并且在研制期间，车体钢结构最终设计方案的确定，必须在通过对车体钢结构进行了有限元分析计算，其强度、刚度都满足设计要求的前提下。因此，缺乏经验的情况下，需在车体钢结构方案调整与车体钢结构有限元分析计算两者间反复作业，从而增加研制工作的任务量和时间。
若能在车体钢结构初步设计前能得到设计的依据，了解在工况下力在车体钢结构的传递的方式，容易应力力集中的部位等，就能有效地解决上述所说的研制困难，提高研制效率、缩短研制周期。本文主要以有轨电车拖车模块为对象，介绍一种在Ansys Workbench软件上进行车体钢结构强度分析的新方法，以便使后续的有轨电车车体建模和分析变得更有效率。
1.2研究方法
本文采用Ansys Workbench软件上的概念建模方法将有轨电车的车体钢结构骨架定义为线体，作为车体钢结构梁单元，车体钢结构中的板件定义为无厚度的壳体，作为车体钢结构壳单元。该方法不仅对梁的横截面和板件的厚度更改方便，更减少了相对于实体单元而言，于计算中消耗过多的内存导致内存不足和计算时间过长的问题。
2 车体钢结构强度分析计算
2.1建立有限元模型
概念模型的创建，主要是提取有轨电车拖车车体的两端墙面、两侧墙面、车顶面和底架面，并在面上做印痕操作，在印痕上提取车体钢结构梁单元的边，并对边赋予横截面，就构成了组成车体钢结构的梁。利用梁单元的边，创建壳单元的面，并赋予厚度，就得到了所需要的板件。梁结构与板结构创建完成后，对模型做连接与耦合处理，以便使模型网格划分时，模型的线、面网格都协调一致。车体外形面印痕操作后的结果如图2.1.1所示；提取边与面后得到的车体钢结构如图2.1.2所示。
2.2网格划分
对全部梁单元的横截面赋予为80x80x4mm的方钢管，对全部板件赋予6mm的厚度以及对梁与板件的材料选择为默认的材料—钢，其泊松比为0.3，弹性模量为2e+5 MPa；定义网格单元尺寸为20mm，划分网格结果如图2.2所示、网格的单元与节点信息如表2.2所示。
从表2.2可以看出，模型的节点数为20280，单元数为11851，Element Quality是基于一个给定单元的体积与边长间的比，其值处于0和1之间，0为最差，1为最好。Jacobian Ratio是在单元的一些特定点上计算出雅可比矩阵行列式，其值为最大值与最小值的比率，其值越大说明单元与扭曲，其中1为最好。从表1中的数据来看，模型的网格质量还是不错的。
2.3分析计算
下面以有轨电车拖车车体钢结构的压缩工况为例，分析计算车体钢结构在压缩工况下的受力状况。
2.3.1约束条件和加载位置
在车体底架一端的端梁与固定铰连接的位置，添加全部自由度为零的固定约束，在另一端的端梁与固定铰连接的位置施加大小为300KN，方向与车体纵向平行指向车体内的压缩力，在车体底架钢结构与二系簧接触的两个板件上添加Z方向位移为零的位移约束，给模型赋予自重。
2.3.2计算结果
由于模型采用的是梁单元，计算出来的是正应力和复合应力，只有在BeamTool梁工具才能显示出来，故添加BeamTool便于查看梁的应力情况；另外添加Deformation变形方法查看车体有限元模型计算分析后的总变形情况。
2.3.3结果分析
从应力分布图来看，在纵向压缩工况下车体钢结构的主要力传递结构为底架中间的两根纵梁，其次是两根边梁，其他结构加以辅助。对于整个车体刚结构应力的方向，从应力分布图得知车体底架钢结构的纵梁与边梁的应力数值为负值，说明纵梁和边梁主要受压应力；车顶、端墙、侧墙刚结构的应力值主要为正值，说明这些刚结构主要受拉应力。除此外，侧墙窗框架中间立柱的应力值主要为负值，说明该立柱主要受压应力。
从变形分布图来看，变形最大值出现在底架钢结构端梁压缩载荷的施加处，说明端梁的刚度不够或者该处结构存在不合理因素，需要改善结构。其次是与端梁连接的过渡梁出现刚度不足的情况。
通过对应力分布图和变形分布图的分析，在进行车体钢结构设计时对相对应的地方适当地改变横截面、改善结构等，将减少有轨电车车体钢结构设计方案修改的次数和工作量。
2.4优化
本处将对上述分析得出的主要承力结构进行简单的横截面大小修改，增大纵梁、端梁、边梁和窗框架中间立柱的横截面面积，计算分析后结果如下：
从优化后的计算结果可以看出，增加上述结构梁单元的截面能进一步减小钢结构的应力；增加上述结构梁单元的截面能进一步减小钢结构的变形。由于在Ansys Workbench上改变梁的截面只需要修改横截面的尺寸，而且网格划分时，梁单元只对线段划分网格，这方法简单快速，在经验不足的研发前期，可以尝试定义不同的横截面，通过计算分析，得到合适尺寸，以此作为钢结构设计的依据，就能减小车体钢结构方案的调整与车体钢结构后续有限元分析计算两者间反复进行的次数。
当然，增车体加钢结构的强度和刚度并不只能依靠改变梁单元横截面的方法，这还涉及到结构设计得是否合理等，上述的简单优化只是提供一个方向。
3总结与展望
3.1本文的主要结论
本文介绍的方法只需要知道车体的整体外形尺寸和结构特点就能快速建模，并且能快速得到计算分析结果。通过该方法做车体钢结构设计前的有限元计算分析，就能知道车体钢结构在工况下的受力情况，如主要的力传递结构是哪些、应力大的位置在哪里、某个位置的强度或者刚度不足等，在进行车体钢结构设计时对于相对应的位置做强度、刚度加强有或者是结构改善处理，能在经验不足或者经验缺乏的情况下，提高有轨电车的研制效率。
3.2有待进一步研究的问题
本文虽然完成了初步设定的研究，但仍存在着一些不足和后续工作等着继续进行研究。首先是本次研究所创建的模型比较粗糙，对于某些有轨电车钢结构需要的结构过于简化，如上述模型中缺少枕梁结构；其次是对于工况分析只分析了压缩工况，车体有限元模型在其他工况下的受力情况未研究。
上述两种不足的存在并不影响本次论文的主要目的，但是为了使结论更可靠，更有参照性，对于本文后续的研究应该完善存在的不足。
参考文献：
[1]黄志新，刘成柱.ANSYS WorkBench 14.0超级學习手册.北京：人民邮电出版社，2013.4
[2]贠亚杰，刘超.ANSYS WORKBENCH全船结构有限元分析新流程.CAD/CAM与制造业信息化2012年 第6期 43-47页