趙士忠，田愛琴，趙國忠，伊召鋒

(1.中國北車集團 青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266555;2.工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，遼寧 大連 116024)

0 引言

隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展，特別是350 km/h及以上速度的新一代高速動車組投入建設(shè)以來，為了滿足高速列車的運行需求，對車體結(jié)構(gòu)的強度、剛度等性能的要求也更加嚴(yán)格［1］.高速列車車體是關(guān)鍵的人機界面部件和承載部件，車體的技術(shù)狀態(tài)影響列車的安全可靠性和舒適性，因此對高速列車車體的研究具有重要的意義.

目前對于高速列車車體的研究主要集中在常規(guī)動車組，文獻［2］對高速列車車體自振頻率進行了研究;文獻［3］對CRH3型動車組車體進行了結(jié)構(gòu)強度分析;文獻［4］對高速動車組拖車車體結(jié)構(gòu)強度及優(yōu)化設(shè)計進行了研究;文獻［5］對于動車組車體斷面進行優(yōu)化仿真分析.本文以京滬高鐵的新一代高速動車組CRH2型的中間車車體為研究對象，對不同載荷工況作用下的車體強度，自振模態(tài)及頻率進行了有限元分析和評估，為車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了設(shè)計依據(jù).

1 新一代動車組車體結(jié)構(gòu)

新一代高速列車車體鋼結(jié)構(gòu)采用全鋁合金整體承載內(nèi)走廊式結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、車頂、端墻等四部分焊接而成.車體幾何模型如圖1所示.

圖1 幾何模型

車體主要結(jié)構(gòu)的特點如下：

底架：主要包括牽引梁、枕梁、邊梁、橫梁以及地板等，主要是由鋁合金擠壓型材和鋁合金板焊接而成，地板為30 mm厚的雙層中空鋁型材地板.

側(cè)墻：采用大型中空擠壓型材，不設(shè)車內(nèi)側(cè)立柱，擠壓型材上設(shè)置通長的T型槽，便于內(nèi)部部件的安裝.

車頂：車頂型材之間的焊接采用在車體長度方向上連續(xù)焊接，車頂和側(cè)墻的連接采用車內(nèi)側(cè)、外側(cè)連續(xù)焊接結(jié)構(gòu).

端墻：端墻主體為雙層中空鋁型材.

2 新一代動車組車體靜強度分析

2.1 有限元模型

整個車體鋼結(jié)構(gòu)為鋁板、梁、型材焊接結(jié)構(gòu)，故基本結(jié)構(gòu)：側(cè)墻、車頂、端墻均按四節(jié)點薄板單元離散，底架枕梁、牽引梁、橫梁等按四節(jié)點薄板單元離散，型材地板為薄板與梁組合離散.利用Hypermesh劃分網(wǎng)格，平均網(wǎng)格邊長為40 mm，板單元大部分采用四節(jié)點四邊形單元，部分采用三節(jié)點三角形單元;整車計算模型共分為785869個單元，609551個節(jié)點，其中在載荷施加的位置以及車體掛件的位置都進行了剛體單元的處理.車體有限元模型如圖2所示.

圖2 有限元模型

參照相關(guān)車體設(shè)計規(guī)范共進行了4個典型工況的分析，包括垂向載荷工況、車端壓縮工況、車端拉伸工況、扭轉(zhuǎn)工況.

2.2 主要工況介紹

計算中的單位約定為：長度單位為mm;力的單位為N;應(yīng)力單位為MPa;坐標(biāo)系約定為：X向為車體長度方向;Y向為車體高度方向，Z向為車體寬度方向.計算時需要考慮的主要車體掛件有主變壓器和主變換裝置，其具體位置如圖3所示.

圖3 掛件分布

(1)垂向載荷工況

載荷施加：在車內(nèi)地板上施加均布載荷，在車內(nèi)地板主變壓器和主變換裝置所在位置施加集中載荷.

邊界條件施加：在枕梁位置施加兩個方向(X、Y)的位移約束.

(2)車端壓縮工況

載荷施加：在車內(nèi)地板上施加均布載荷;在車內(nèi)地板主變壓器和主變換裝置所在位置施加集中載荷;在兩端牽引梁處施加980 kN的壓力.

邊界條件施加：在枕梁位置施加兩個方向(X、Y)的位移約束.

(3)車端1 000 kN拉伸工況

載荷施加：在車內(nèi)地板上施加均布載荷，在車內(nèi)地板主變壓器和主變換裝置所在位置施加集中載荷，在兩端牽引梁處施加980kN的壓力.

邊界條件施加：在枕梁位置施加兩個方向(X、Y)的位移約束.

(4)扭轉(zhuǎn)工況

載荷施加：在二位端的枕梁處施加大小相等方向相反的力F=16.26 kN，力之間的距離為S=2 460 mm，使得F×S=40 kN·m，用于模擬扭矩40 kN·m的工況.

邊界條件施加：一位端枕梁處約束兩個方向(X、Y)的位移自由度，二位端枕梁處約束一個方向(Y)的位移自由度.

2.3 計算結(jié)果及強度評估

(1)計算結(jié)果

表1列出了包括垂向載荷工況、壓縮工況、拉伸工況、扭轉(zhuǎn)工況下的位移最大值和高應(yīng)力值以及出現(xiàn)位置，各工況下的應(yīng)力云圖如圖4～7所示.

表1 各工況位移及應(yīng)力

圖4 垂向載荷工況下的應(yīng)力云圖

圖5 壓縮載荷工況下的應(yīng)力云圖

圖6 拉伸載荷工況下的應(yīng)力云圖

圖7 扭轉(zhuǎn)載荷工況下的應(yīng)力云圖

(2)靜強度評估

根據(jù)有限元的計算結(jié)果，對各主要荷載工況下的強度狀況進行評估.

①車體在垂直載荷工況下，最大等效應(yīng)力位于窗角，數(shù)值是92.46 MPa，數(shù)值小于該部位的許用應(yīng)力205 MPa，符合靜強度要求;

②車體在壓縮工況和車體拉伸工況下，最大等效應(yīng)力位于二位端枕梁部位，數(shù)值為140.1 MPa，小于該部位材料的許用應(yīng)力245 MPa，符合靜強度要求;

③車體在扭轉(zhuǎn)工況下，最大應(yīng)力位于二位端約束，數(shù)值為25.25 MPa，小于該部位材料的許用應(yīng)力245 MPa，符合靜強度要求.

3 車體自由振動的模態(tài)分析及相當(dāng)彎曲剛度評估

車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)是評價高速列車在運行安全性和乘坐舒適性上的一個重要參數(shù)［6］，模態(tài)分析也是高速列車車體設(shè)計中結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容之一［7］，尤其是低階模態(tài)，能反映車體整體的剛度性能，常常作為控制高速列車車體常規(guī)振動的關(guān)鍵指標(biāo).

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析按自由邊界條件處理，對車架的振動響應(yīng)影響相對較大的激勵多集中在低頻域，故本文只提取前六階頻率(不含前六階剛體模態(tài))，車體各階頻率特性如表2所示，車體一階垂向彎曲振型圖和一階扭轉(zhuǎn)振型圖如圖8和圖9所示.

表2 頻率特性

圖8 一階垂向彎曲振型圖

3.2 相當(dāng)彎曲剛度計算

相當(dāng)彎曲剛度與一階彎曲固有頻率的近似理論計算公式［8］如下：相當(dāng)彎曲剛度其中，W為垂直載荷，取447.84 kN;l1為車輛定距，取17500 mm;l2為前端轉(zhuǎn)向架中心到前端距離，取3 500 mm;l3為后端轉(zhuǎn)向架中心到后端距離，取3 500 mm;δ為車體中央撓度，取8.233 mm;l為車體總長，即l=l1+l2+l3=24500 mm.各參數(shù)代入上式得到相當(dāng)彎曲剛度為2.183E9 N·m2.

其中，wc為車體自重=83.02 kN，g=9 800 mm/s2.因此一階彎曲固有頻率為12.24 Hz.

3.3 剛度評估

(1)根據(jù)車體中央撓度計算得到：車體相當(dāng)彎曲剛度為2.183E9N·m2，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.8 E9N·m2，符合剛度要求.

(2)根據(jù)車體中央撓度估算得到：車體的一階彎曲固有頻率為12.24 Hz，大于10 Hz，符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

(3)根據(jù)有限元法計算得到車體在全自由狀態(tài)下的一階垂向彎曲固有頻率為18.025 Hz.根據(jù)文獻［9］整備后車體彎曲振動頻率總體降低20%左右.由此估算，新一代動車組整備后彎曲振動頻率為14.4 Hz，與理論估算值比較接近，同樣高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 Hz.

4 結(jié)論

(1)本文利用Hypermesh軟件進行前處理，利用Ansys軟件作為求解器進行了新一代動車組中間車車體的有限元分析;

(2)在靜強度評估中發(fā)現(xiàn)車體的強度滿足要求，在車端壓縮工況中局部區(qū)域應(yīng)力值比較大，建議在設(shè)計時重點關(guān)注此處;

(3)在剛度評估中通過對近似理論計算得到的相當(dāng)彎曲剛度和仿真分析計算的一階垂向彎曲固有頻率的評估，驗證了本文計算模型的有效性，也為車體的實際結(jié)構(gòu)設(shè)計及進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù).

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