吳 丹，商躍進(jìn)，王 紅，郭富強(qiáng)

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

高速列車車體強(qiáng)度的分析方法一般有兩種：①按照已制定的規(guī)范確定車體的載荷工況，并運(yùn)用有限元法進(jìn)行車體的強(qiáng)度分析；②試驗(yàn)分析方法。因此，對(duì)高速列車車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及試驗(yàn)規(guī)范的研究已成為高速列車發(fā)展中的重要組成部分。目前，高速列車在我國(guó)尚處于消化、吸收、再創(chuàng)新階段，對(duì)高速列車車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)僅有《200km／h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》［1］。因此，本文以國(guó)內(nèi)某型高速列車的車體為例，比較分析國(guó)內(nèi)外高速列車車體強(qiáng)度規(guī)范中的計(jì)算方法，并運(yùn)用有限元法對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。通過對(duì)比分析，為制定更符合本國(guó)鐵路特色的車體強(qiáng)度計(jì)算方面提供一些建議。

1 規(guī)范中的計(jì)算方法對(duì)比分析

1.1 垂向最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷的對(duì)比分析

我國(guó)高速列車車體強(qiáng)度計(jì)算主要參考的典型國(guó)內(nèi)外強(qiáng)度規(guī)范有日本高速客車車體設(shè)計(jì)通則JIS E7106［2］、歐洲鐵路聯(lián)盟制定的 EN12663［3］及我國(guó)制定的《200km／h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》（以下簡(jiǎn)稱《暫行規(guī)定》）。通過對(duì)比以上3種規(guī)范，關(guān)于垂向運(yùn)轉(zhuǎn)載荷的規(guī)定基本一致，只是JIS E7106標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，加載到車體垂向的最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷要根據(jù)運(yùn)行中的振動(dòng)情況來考慮，如果車體的二系懸掛裝置采用空氣彈簧裝置，則最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷為1.1×g×（m1＋m2），如果采用金屬?gòu)椈蔀檐圀w的二系懸掛裝置，則最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷和EN12663中規(guī)定的一樣均為1.3×g×（m1＋m2）。《暫行規(guī)定》中將最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷取值為1.2×g×（m1＋m2）。（m1是整備狀態(tài)下車體的質(zhì)量；m2是最大有效載荷。）

通過對(duì)比分析可知：①JIS E7106在充分考慮了空氣彈簧較金屬?gòu)椈赡芨玫奈照駝?dòng)等優(yōu)點(diǎn)，從而將因輪軌間沖擊和車輛簧上振動(dòng)而產(chǎn)生的垂向動(dòng)載荷降為0.1×g×（m1＋m2）這一點(diǎn)是很合理的；②《暫行規(guī)定》中說明運(yùn)用狀態(tài)的載荷可能導(dǎo)致材質(zhì)疲勞，所以將最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷降為1.2×g×（m1＋m2）這一點(diǎn)是否滿足設(shè)計(jì)要求，能否像JIS E7106那樣根據(jù)二系懸掛裝置的不同而分開考慮，這些都需要通過試驗(yàn)和實(shí)測(cè)證明。

1.2 頂車載荷的對(duì)比分析

歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN12663中對(duì)頂車載荷的規(guī)定有兩種：①在指定架車位的一端提升車輛（2點(diǎn)支撐），其載荷為1.1×g×（m1＋m3）；②在指定架車位提升整車（4點(diǎn)支撐），其載荷為1.1×g×（m1＋2×m3）。日本標(biāo)準(zhǔn)JIS E7106中對(duì)頂車載荷的規(guī)定是3點(diǎn)支撐。我國(guó)《暫行規(guī)定》中對(duì)頂車載荷的規(guī)定有2種：①以一端轉(zhuǎn)向架為支點(diǎn)，在車體另一端頂車位將車體連同該端的轉(zhuǎn)向架一起頂起（2點(diǎn)支撐），此時(shí)垂向載荷為g×（m1＋m3）；②在車體兩端頂車位同時(shí)頂起整個(gè)車體（4點(diǎn)支撐），應(yīng)考慮不均衡因素（3點(diǎn)支撐），此時(shí)垂向載荷為g×m4。（m3轉(zhuǎn)向架質(zhì)量；m4空車車體質(zhì)量。）

通過對(duì)比分析可見：各規(guī)范對(duì)頂車載荷的規(guī)定有很大差異，事實(shí)上，在車輛新造和維護(hù)時(shí)，在用千斤頂頂起車體的作業(yè)中，如果千斤頂?shù)纳炜s不同步，車體就會(huì)處于3點(diǎn)支承狀態(tài)。如果采用的是以小扭轉(zhuǎn)剛度為特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體時(shí)，3點(diǎn)支承狀態(tài)將會(huì)產(chǎn)生永久變形，所以，頂車載荷工況應(yīng)將2點(diǎn)支撐、3點(diǎn)支撐、4點(diǎn)支撐都考慮在內(nèi)。

1.3 縱向載荷的對(duì)比分析

通過對(duì)比歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS E7106以及我國(guó)《暫行規(guī)定》中關(guān)于縱向載荷的規(guī)定可以看出：3種規(guī)范不僅在縱向載荷工況的選取上有差別，而且取值大小也不同，各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)縱向載荷的規(guī)定如表1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)中縱向載荷規(guī)定對(duì)比表 kN

通過表1的對(duì)比分析可見：①日本標(biāo)準(zhǔn)JIS E7106對(duì)車鉤區(qū)域處的壓縮載荷和拉伸載荷取值較低，并且該規(guī)范直接使用了材料的屈服強(qiáng)度作為許用應(yīng)力，即安全系數(shù)為1，所以該標(biāo)準(zhǔn)能否用于評(píng)估我國(guó)高速列車車體強(qiáng)度值得研究?！稌盒幸?guī)定》和EN12663對(duì)車鉤處的壓縮和拉伸載荷的規(guī)定基本一致，但是，《暫行規(guī)定》中規(guī)定的安全系數(shù)高達(dá)1.5，而EN 12663中規(guī)定的安全系數(shù)只有1.15，這說明《暫行規(guī)定》對(duì)車體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求最高，相應(yīng)的設(shè)計(jì)成本也就最大。但是，考慮到我國(guó)在設(shè)計(jì)制造以及工藝材質(zhì)方面與國(guó)外仍有差距，所以《暫行規(guī)定》中的規(guī)定還是比較合理的；②端墻區(qū)域的壓縮載荷主要考慮列車沖撞情況下車體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題，JIS E7106對(duì)端墻區(qū)域的壓縮載荷沒有明確規(guī)定，只說需和用戶商定?！稌盒幸?guī)定》和EN12663對(duì)端墻區(qū)域的縱向壓縮載荷的規(guī)定基本一致，只是EN12663中多了一條作用在端墻上距地板面150mm處400kN的壓縮載荷工況。

1.4 扭轉(zhuǎn)載荷的對(duì)比分析

由于線路的不平順、車輛制造的幾何誤差等原因，都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中的車體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形?！稌盒幸?guī)定》中對(duì)扭轉(zhuǎn)載荷的規(guī)定是車體的扭轉(zhuǎn)載荷取為40kN·m；JIS E7106中對(duì)扭轉(zhuǎn)載荷的規(guī)定是在保證不使某側(cè)的彈簧裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，作用于其他側(cè)彈簧部分的扭轉(zhuǎn)載荷為40kN·m。EN12663中并沒有明確規(guī)定扭轉(zhuǎn)載荷，只說需和用戶商定。

通過對(duì)比分析可知：①JIS E7106和《暫行規(guī)定》中對(duì)扭轉(zhuǎn)載荷的規(guī)定一致；②車體扭轉(zhuǎn)對(duì)車輛運(yùn)行中的強(qiáng)度影響很大，所以應(yīng)該在車體強(qiáng)度規(guī)范中明確規(guī)定扭轉(zhuǎn)載荷工況。

1.5 組合工況的對(duì)比分析

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663和日本設(shè)計(jì)通則JIS E7106中對(duì)組合工況的規(guī)定都是車鉤縱向壓縮／拉伸載荷與最大垂向載荷以及車鉤縱向壓縮／拉伸載荷與垂直載荷，其載荷疊加情況如表2和表3所示。我國(guó)《暫行規(guī)定》與歐洲標(biāo)準(zhǔn)和日本標(biāo)準(zhǔn)在組合工況的選取上有所不同，規(guī)定組合工況為車鉤縱向壓縮／拉伸載荷與垂向最大載荷的1.3倍進(jìn)行組合。

表2 EN12663規(guī)定的組合工況

表3 JIS E7106規(guī)定的組合工況

2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法

根據(jù)ORE B12／RP17研究報(bào)告給出的結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)定方法：結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋的方向與最大主應(yīng)力方向相互垂直，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的三向主應(yīng)力值及方向余弦，從而確定節(jié)點(diǎn)在不同載荷工況作用下的最大和最小主應(yīng)力值，并按下式計(jì)算節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，最后根據(jù)修正的Goodman疲勞極限圖對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估［4］。

3 算例

本文以國(guó)內(nèi)某型動(dòng)車拖車車體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，用上述不同規(guī)范下的計(jì)算載荷工況和疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3.1 靜強(qiáng)度對(duì)比分析

在不同規(guī)范下車體的von Mises最大等效應(yīng)力值如表4所示。

對(duì)上述14種載荷工況的計(jì)算分析可以看出：①車體在14種載荷工況作用下，其von Mises應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，車體滿足靜強(qiáng)度要求；②在施加端墻區(qū)域內(nèi)的3種壓縮載荷時(shí)，車體的安全系數(shù)不是很高，所以車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這3種工況；③組合工況中壓縮力與垂向載荷工況下產(chǎn)生的應(yīng)力高于壓縮力與最大垂向載荷工況下產(chǎn)生的應(yīng)力值；④組合工況中拉伸力與最大垂向載荷工況下產(chǎn)生的應(yīng)力高于拉伸力與垂向載荷工況下產(chǎn)生的應(yīng)力值。

3.2 疲勞強(qiáng)度對(duì)比分析

ENl2663中規(guī)定，車體在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析時(shí)施加的載荷為：垂向加速度 （1±0.25）g、橫向加速度（±0.2）g；JIS E7106和《暫行規(guī)定》中對(duì)車體疲勞強(qiáng)度的評(píng)估尚未明確指出。

本文通過兩種方法來評(píng)定車體的疲勞強(qiáng)度：①根據(jù)ENl2663給出的疲勞載荷工況，計(jì)算出應(yīng)力集中部位的3個(gè)主應(yīng)力值的大小及方向余弦，再根據(jù)ORE疲勞評(píng)定方法以及修正的Goodman疲勞極限圖對(duì)車體進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。②選取靜強(qiáng)度分析中的應(yīng)力最大部位，計(jì)算出這些部位的3個(gè)主應(yīng)力值的大小及方向，再根據(jù)ORE疲勞評(píng)定方法對(duì)車體進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估（見圖1）。

圖1 Goodman疲勞極限圖

圖1所示的結(jié)果表明：①?gòu)钠趶?qiáng)度分析中可知，出現(xiàn)最大von Mises應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)位置，其最大主應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力之差較高，并不是結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)位置，主要原因是結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度取決于應(yīng)力循環(huán)過程的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅；②在規(guī)定的使用壽命下，所選關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力都在允許范圍內(nèi)，車體結(jié)構(gòu)滿足疲勞強(qiáng)度的使用要求；③車體制造過程中，需對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的焊縫進(jìn)行加工處理，通過降低由于焊接而引起的應(yīng)力集中以提高焊縫區(qū)的疲勞強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1）車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮端墻區(qū)域的3種壓縮載荷工況。

（2）頂車載荷工況應(yīng)充分考慮2點(diǎn)支撐、3點(diǎn)支撐及4點(diǎn)支撐。

（3）在車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，縱向壓縮載荷與垂向載荷的組合方式應(yīng)選取縱向壓縮載荷與垂向載荷組合，因?yàn)樵摻M合工況下合成應(yīng)力最大，所以對(duì)車體強(qiáng)度安全性的評(píng)價(jià)更可靠。

（4）在車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，縱向拉伸載荷與垂向載荷的組合方式應(yīng)選取縱向壓縮載荷與垂向最大載荷組合，因?yàn)樵摻M合工況下合成應(yīng)力最大，所以該組合工況評(píng)價(jià)車體強(qiáng)度安全性更高。

（5）與傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度許用應(yīng)力評(píng)定方法相比，ORE B12／RP17可以對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度余量進(jìn)行定性分析，并對(duì)車體強(qiáng)度儲(chǔ)備不足的區(qū)域進(jìn)行評(píng)估。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.200km／h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定［S］.2001.

［2］日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì).鐵道車輛客車車體設(shè)計(jì)通則［S］.日本：日本規(guī)格協(xié)會(huì)，2006.

［3］European Committee for Standardization.Railway applications Structural requirements of railway vehicle bodies［S］.Britain：Central Secretarial，2000.

［4］米彩盈.鐵道機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

［5］王旭東.地鐵車體結(jié)構(gòu)垂向總載荷和縱向力取值的探討［J］.鐵道機(jī)車車輛，2004，24（5）：29－31.