杭州304不锈钢板,还是当代特种钢业的好不锈钢水箱组设计.doc

1、网址：http:/手机：18861844446QQ：2697942199计算结果分析3.1 应力分析对于材料的许用应力，参考了相关标准25 ，并结合该不锈钢车体的特点，确定了不同工况下的安全系数。对只承受垂直载荷的工况安全系数取 1.3，许用应力为材料的屈服极限除以安全系数；对既有垂直载荷又有纵向载荷的工况安全系数取 1.1，许用应力为材料的屈服极限除以安全系数 ；扭转工况的安全系数取 1.3，许用应力为对称循环疲劳极限除以安全系数。各工况下材料的许用应力值见表 4。 垂直总载工况下，司机室骨架的最大应力 39.1 MPa，发生在司机侧门和车顶连接处。端部底架的最大应力 1 4 1 MPa，发

2、生在内层下边梁和侧墙的焊接处。波纹地板的最大应力 3 2 7 MPa，发生在二位端靠近侧墙与底架小横梁连接处。底架横梁最大应力 237 MPa，发生在二位端第一根横梁和侧墙连接处。门框的最大应力 213 MPa，发生在后侧门门角处。可以看出车体的结构应力都在许用应力范围之内（图） 。 点焊是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,分布于车身各部位,数量达上万个.点焊结构主要特点是:结构紧凑、重量轻、强度高、耐腐蚀.同时,它的制造工艺比较复杂,技术要求高,因此,尽管点焊结构车辆在国外已经获得了广泛应用,在国内则刚刚开始研制1-2.如何把握点焊结构的力

3、学特性,建立高精度的车体 FEA 计算模型已成为不锈钢点焊车研制过程中计算人员极为关注的问题.当前点焊结构常采用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系( 即位移耦合)来模拟焊核3-4. 从理论上说 ,点焊结构用适当高度的块体元模拟时,则可获得较高的精度,但对于大量均布、密集排列的焊点的不锈钢车体结构来说这将导致单元/结点数量急剧增加而不可行,因此,必须抓住不锈钢点焊车传力的主要特征创建 FEA 模型.与车辆结构尺寸相比,点焊焊核自身的尺寸可以忽略不计,在有限元模型中,可以将它们视为仅是整体坐标系下的一个“点”,在外载荷作用下,结构依靠这些“点”传递内力,这类结构可称为“点传力结构”.基于位移主

4、-从控制关系原理5, 本文认为对于不锈钢点焊车体这类典型的“点传力结构”,用位移的主-从约束关系来模拟焊核( 即等价于在计算模型中被焊接连接的两点之间位移完全一致)是更为合理的,并通过数值试验证明了主- 从约束关系比其它建模方法具有更高的精度.基于位移主-从约束关系建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的 FEA 模型,根据相关标准进行加载计算,通过与物理试验的比较,验证了计算模型的合理性和有效性.1 主-从控制关系的正则方程主-从关系(位移耦合),指的是当一个结点被定义为另一个结点的从结点后,该从结点就失去了位移的独立性,它的位移只能且必须从属于主结点.主结点上的位移处理为独立位移,从结点上的位

5、移为相关位移.在应用最小总势能原理求基于位移法的结构正则方程时,相关位移对总势能的贡献是通过与之有关的独立位移和指定位移表达的.结构的总势能为 2 各种方法对比分析本文提出用位移主从约束关系描写不锈钢点焊车体的点焊传力,这意味着模型中的每一点焊的焊核均被凝聚成一点,那么,这种简化与其它建模方法相比精度到底多高?以下用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系( 即位移耦合)为点焊结构建模来讨论各种方法的精确性.假设薄板 A 与 B 用点焊方式焊接,其厚度分别为 t1 与 t2,t1 薄板右端均匀作用有 F 吨拉力,t2 薄板左端被约束住.焊核为三维椭球 ,其最大剖面的直径为 d.在各方法的计算模型

6、中,板的中心为焊点位置,也为坐标原点,梁单元的物理属性取决于板材,单元直径为 d,单元长度网址：http:/手机：18861844446QQ：2697942199为(t1+t2)/2;刚性单元,无物理属性,单元长度为(t1+t2)/2;实体单元物理属性取决于板材,单元尺寸取决于 t1,t2;位移主-从约束不需要定义材料属性,只需指定六个自由度之间位移主-从约束关系. 以实体元计算结果为标准,t1 薄板上载荷方向的应力误差比列入附表.表中方法 1 为采用梁单元;方法 2 为采用刚性单元 ;方法 3 为采用位移耦合 .表中位置点 1 至点 8 依次为 t1 薄板上过原点与载荷方向一致的坐标轴上等距

7、离的点;位置点 9 至点 16 依次为 t1 薄板上过原点与载荷方向垂直的坐标轴上等距离的点.表中应力误差比的定义为(- 0)/0,其中 0为实体元计算结果.由附表可以看出:位移主从约束建模方法的误差较小,刚性单元和梁元的较大.实体单元和位移耦合的两个模型沿外载荷方向的应力值比较如图 1 所示.结果表明:两种模型高应力区域一致;焊核附近 ,位移耦合模型的应力值要大于实体单元模型的,稍离开焊核,两种模型应力值几乎相同.3 工程验证城市轻轨动车组不锈钢点焊车体是典型的点传力结构,全部采用高强度车辆专用的冷弯或轧压工艺制造的不锈钢型材.除车顶、地板的波纹板之间的连接采用缝焊,其余板与梁、柱及部件与部

8、件之间的连接均采用接触点焊.由于板薄,板与板、板与梁(柱) 和柱与柱之间只能采用搭接接头,除 2 层、3 层搭接外,最多还有 5 层板搭接.该不锈钢车体大约有 4 万个焊点,该车典型的焊接示意图如图 2 所示. 不锈钢点焊车体在承受外载后,载荷通过数万焊点将力传递到车体各部,并由此产生车体各处的变形与应力,这一特点,在建模时必须真实体现,否则,计算模型将会失真,并将导致计算结果失真.假定车体构件的每一“点对”之间,一旦形成点焊,尽管这一点焊事实上占有一很小的面积,但相对车体构件尺寸而言,有理由视这两点被“焊成一点”,因此,在变形的过程中,点焊可以用位移主从关系来描述.城市轻轨动车组不锈钢点焊车

9、体有限元建模的关键问题是每一个焊点位置处必须要有结点生成.因此,在 I-DEAS 软件(10.0)中创建真实地反映不锈钢车体构件之间的相互关系的、用于划分有限元网格的三维几何时,根据点焊位置,要一一创建“锚点”6,因为“锚点”一经生成,在随后的单元网格生成过程中,“锚点”将自动转化为单元的结点,这样就为点焊的“点对”准确位置的确定创造了条件.不锈钢点焊车体四分之一的局部放大网格如图 3 所示.四分之一模型的求解规模为:单元总数 132309;节点总数 134659;焊点数 8824.依据文献7进行加载计算,垂直总静载荷工况作用下车体和部件的 Von.Mises 应力云图如图 4 所示.该车 F

10、EA 计算结果与强度试验测试结果8的对比如图 5 所示,由图 5 可以看出两者基本一致,因此,该计算模型质量很高. FEA 的置信度关键在于计算模型的质量,而创建一个计算模型的必备条件是计算机、仿真软件和使用者.事实上,功能再好的仿真软件,速度再快的计算机,也只能辅助建模者提高建模的效率而不提供建模的原则与技巧,计算模型的质量主要还是取决于使用者的理论素养和建模经验.只有具有良好的理论素养和厚实的建模经验才能够很好地消化吸收仿真软件中的精髓,并将其融化在仿真模型的建立过程之中,使仿真模型合理和科学.本文基于位移主-从约束关系 (位移耦合)原理模拟不锈钢点焊车体的点焊,并利用 I-DEAS 仿真

11、软件高级建模功能,建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的 FEA 模型.通过FEA 计算结果与物理试验结果的对比,证明本文的建模思想方法是切实可行的. 近年来在一些建筑成套化改造或者加层时，经常碰到砼水箱自重大，建筑结构无法承受，且施工周期长，影响正常供水等情况。我们在某幢 12 层高层住宅结合大修加层至 14 层时，就遇到了这一问题。在拆除 2 只屋顶砼水箱后续建时发现需再建的砼水箱自重 30t，装满水后总重达 90 余 t，墙体结构难以承受。为此，我们设计了两组圆柱型高强度薄壁不锈钢水箱组，网址：http:/手机：18861844446QQ：2697942199每组 3 只并列安装，单只水箱

12、容水量为 12m3，但每只水箱重仅 1.5t，有效地减轻了自重，解决了这个难题。该屋顶水箱实际运行两年来，一切技术状况良好，体现出安装便捷，清洁卫生，管理方便，使用周期长等特点，运行中还可灵活切换投入水箱的个数，既增加了供水安全可靠性，又避免了水质二次污染，且造价低，与同容积砼水箱造价相比，节约经费 19.80 万元。现将超薄型大吨位不锈钢屋顶水箱组设计应用有关问题归纳如下。1 薄壁不锈钢屋顶水箱钢种选择与强度质量、理化稳定性的要求以较大容量的薄壁不锈钢屋顶水箱组，取代传统的钢筋砼水箱，首先着眼点是自重轻，强度大。另一个关键则为确保一个储水容器自身不污染水质，钢种在长期运行中，必须具备对人体卫

13、生、安全、无害。1.1 不锈钢水箱的强度质量由于我们设计的不锈钢水箱组，选用的板厚为 0.8mm1.0mm ，如此厚度，贮存大容量液体后能否达到强度上的要求，引起一些人的怀疑，有关技术资料和设计数据表明，用料厚度虽然较薄，但材料具有强度高，韧性大，延伸性好的特点，只要把握好生产制作中的关键，设计制作大容量不锈钢储水容器无可非议，可以获得成功。1.2 不锈钢种的理化稳定性高层建筑不锈钢屋顶水箱，作为几百家住户的一个储水容器，水质的污染与否直接影响到人民身体健康，应在长期的运行过程中，不氧化、不生化，免于锈蚀和重金属铬、镍离子的生成析出。为此，我们设计制作不锈钢种日本牌号为 SUS304(相当于国

14、产 OCi18Ni9牌号)，从 SUS304 资料说明可以看出，该类钢种属奥氏体不锈耐酸钢，有良好的耐腐蚀性能和金属压延性能，对强氧化酸有耐腐蚀性。由此可见，以此作水箱体材料，完全可以抵御运行中低浓度氯酸(HCl)，次氯酸 (HClO)，弱氧化性碳酸（H2CO3）等酸的作用，保障了水容器不污染水质的前提条件。2 不锈钢水箱组设计布置方式和水力计算依据2.1 确定水箱组的布置方式因建筑呈 Z 字状长条型，且住户多，平均每层 23 户，大楼改造前，采用同一泵组同时向两个砼屋顶水箱供水。虽然在离泵房供水管路较长的 2 号水箱内，安装了液位控制器，且两个水箱进水还辅以水位控制浮球阀，但由于水压差异，进

15、水量不均，经常造成球阀杠杆断裂失控而溢水，有时两个屋顶水箱用水量悬殊，使其中一个水箱断水，影响住户的用水环境。对此，我们结合大楼加层大修以及适应大楼屋顶平面，对两组不锈钢屋顶水箱进行重新设计布置，采用并联式水箱组，且在两组水箱之间安装连通环流管(见图 1)，使两组水箱蓄水互补，高程平衡，杜绝两水箱组因进、出水量差异产生的常见顽症，断、溢水事故。 薄壁不锈钢屋顶水箱组的实效网址：http:/手机：18861844446QQ：26979421993.1 经济指标比较薄壁不锈钢水箱与砼结构水箱及其他种类水箱相比较，目前大容积水箱单价：不锈钢水箱 0.2 万元m30.25 万元 m3，奥金水箱 0.2

16、5 万元 m30.30 万元m3。若采用单个水箱贮水量 36m3 砼结构水箱 20 万元/ 只(建筑结构部分计入)，有关主管部门指定选用的普通玻璃钢水箱 17 万元/只，而我们选用水箱组两套造价仅为 19.6 万元，显而可见不锈钢水箱的价格优势。3.2 安装便捷，切换方便，保障供用水安全可靠不锈钢水箱制作工厂化，自重轻，安装便捷。这次设计容量为 12m3，底部呈 0.05m抛面，意在底板能够获得足够的支承面，安装时底部周边范围内，用水泥砂浆或者细石砼铺垫，可保证板与支承面接触紧密。由于采用水箱组并联供水，生活和消防蓄水兼容一水箱组，其中任一只水箱一旦需抢修、清洗时，另两只水箱照样维持供水，当消

17、防需要时，生活水也可补充消防用水，增加了供用水的安全可靠性。3.3 减少水质二次污染机会在给水系统设计时，我们特别注意到对消防蓄水的“死水”现象和水箱进出水分层流动“停滞区”的防治。屋顶水箱内分区给水管制成虹吸装置，进出水管安装平面位置有意参差分布，同时还将进入箱体内的管材改成 UPVC 管，防止锈蚀污染。水箱组又是圆柱并且立式安放，即便产生沉污，排污阀一开即可解决。实践证明，这些措施到位， “死水”和“停滞区”现象消除，促进了箱内水体全方位流动，加之不锈钢水箱内壁光滑，污垢、藻类等无法附着，又一污染环节被杜绝。两年的运行表明，箱底结垢(砂粒、粘土、有机质等) 比砼水箱显著减少，水质清纯，住户反映良好，改善了用水环境，为维护广大百姓身体健康起到积极作用。