雷 成，肖守訥，羅世輝

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031;2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車(chē)輛工程學(xué)院，河南 鄭州450052)

0 引言

采用鋁合金材料制造的車(chē)體具有制造工藝簡(jiǎn)單、減重效果好、耐腐蝕、運(yùn)行平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)[1］，因此，鋁合金材料廣泛地應(yīng)用于高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體。

車(chē)體是動(dòng)車(chē)組的主要承載部件之一，車(chē)體在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到各種力的作用。因此，要求動(dòng)車(chē)組的車(chē)體具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

目前，中國(guó)在高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面雖然進(jìn)行了大量的研究，并取得了較大的進(jìn)步，但與世界先進(jìn)技術(shù)相比還有很大的差距，特別是在車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元分析方法方面[2］。

本文采用有限元法，利用有限元分析軟件ANSYS建立某城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)的有限元模型，并依據(jù)EN 12663—2000[3］的有關(guān)規(guī)定對(duì)車(chē)體強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到車(chē)體結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下的應(yīng)力水平、剛度、自振頻率及振型。

1 鋁合金車(chē)體材料的力學(xué)性能

車(chē)體主要承載結(jié)構(gòu)及司機(jī)室均為鋁合金材料。所用材料的機(jī)械特性如表1所示，其中t表示板厚(單位mm)，即對(duì)應(yīng)于不同的厚度，材料的機(jī)械特性有所不同。

表1 材料的機(jī)械性能

2 車(chē)體的有限元模型

由于鋁合金車(chē)體的零部件基本是薄壁構(gòu)件，所以車(chē)體結(jié)構(gòu)全部采用殼單元shell63模擬;底架設(shè)備、空調(diào)和門(mén)窗采用質(zhì)量單元mass21模擬，并施加在各自的位置上;二系懸掛采用彈簧單元combin14進(jìn)行模擬;內(nèi)裝、管線等垂直荷載采用均布荷載的形式施加在地板上。

考慮到車(chē)體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，計(jì)算模型采用半個(gè)車(chē)體模型[4］，取底架承載較重一邊。利用ANSYS軟件，采用殼單元，對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，平均網(wǎng)格邊長(zhǎng)為40 mm。頭車(chē)半車(chē)承載結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量為4 285.5 kg，計(jì)算模型包括596 806個(gè)節(jié)點(diǎn)，779 470個(gè)單元，有限元模型如圖1所示。中間車(chē)承載結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量為4 077 kg，計(jì)算模型包括582 393個(gè)節(jié)點(diǎn)，754 299個(gè)單元，有限元模型如圖2所示。動(dòng)車(chē)組頭車(chē)底架主要焊縫如圖3所示，側(cè)墻主要焊縫如圖4所示，車(chē)頂主要焊縫如圖5所示，端墻及司機(jī)室主要焊縫如圖6所示。除司機(jī)室外，在車(chē)體部分，中間車(chē)的焊縫位置與頭車(chē)一致。

圖1 城際動(dòng)車(chē)組頭車(chē)的有限元模型

圖2 城際動(dòng)車(chē)組中間車(chē)的有限元模型

圖3 動(dòng)車(chē)組頭車(chē)底架主要焊縫

圖4 動(dòng)車(chē)組頭車(chē)側(cè)墻主要焊縫

圖5 動(dòng)車(chē)組頭車(chē)車(chē)頂主要焊縫

圖6 動(dòng)車(chē)組頭車(chē)端墻及司機(jī)室主要焊縫

按照EN 12663—2000標(biāo)準(zhǔn)中的要求，對(duì)車(chē)體進(jìn)行了14種靜力考核工況和車(chē)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，具體如表2所示。

仿真分析中母材和焊縫靜態(tài)分析驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1)沒(méi)有永久變形。

(2)EN 12663—2000中確定的許用應(yīng)力安全因數(shù)為1.15，對(duì)垂向載荷工況、組合載荷的工況以及所有的拉伸壓縮工況，其應(yīng)力不超過(guò)材料的屈服應(yīng)力。

表2 計(jì)算工況和載荷

3 鋁合金車(chē)體的強(qiáng)度計(jì)算分析

3.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

以頭車(chē)為例，對(duì)其有限元模型施加不同載荷工況下的邊界條件，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，各個(gè)工況下焊縫區(qū)的應(yīng)力(距離焊縫一定距離的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力)最大值如表3所示。從表3中可以看出:各個(gè)工況下頭車(chē)焊縫的應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，符合靜強(qiáng)度的要求。

表3 各個(gè)工況下頭車(chē)焊縫的應(yīng)力最大值 MPa

各個(gè)工況下頭車(chē)母材區(qū)的應(yīng)力最大值如表4所示。從表4中可以看出:各個(gè)工況下頭車(chē)母材的應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，符合靜強(qiáng)度的要求。

表4 各個(gè)工況下頭車(chē)母材的應(yīng)力最大值 MPa

綜上所述，頭車(chē)的靜強(qiáng)度滿足要求。通過(guò)對(duì)中間車(chē)車(chē)體的計(jì)算分析，同樣可以得出其靜強(qiáng)度也滿足要求。

3.2 車(chē)體結(jié)構(gòu)的變形分析

根據(jù)EN 12663—2000中規(guī)定，底架縱向梁的最大垂向變形不得超過(guò)19 mm。在最大垂向載荷下的車(chē)鉤1 000 kN拉伸載荷工況中，頭車(chē)和中間車(chē)底架縱向梁的最大垂向變形最大。圖7為該工況下頭車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的垂向變形，從圖7中可以看出:兩空氣彈簧之間的底架邊梁垂向撓度為13.70 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖8為中間車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的垂向變形，從圖8中可以看出:兩空氣彈簧之間的底架邊梁垂向撓度為11.81 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖7 頭車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的垂向變形

圖8 中間車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的垂向變形

3.3 車(chē)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

車(chē)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)是評(píng)價(jià)列車(chē)運(yùn)行安全性和乘坐舒適性的一個(gè)重要參數(shù)[5-6］。模態(tài)分析也是動(dòng)車(chē)組車(chē)體設(shè)計(jì)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(chē)體整體的剛度性能[8］。

模態(tài)分析按自由邊界條件處理[9］，分別計(jì)算了在整備狀態(tài)下和最大垂向載荷下的一階垂向彎曲和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。表5列出了城際動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體的自振頻率，其中，頭車(chē)整備狀態(tài)下的一階垂向彎曲模態(tài)如圖9所示，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)如圖10所示。

表5 城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體的振動(dòng)模態(tài)

圖9 頭車(chē)整備狀態(tài)下的一階垂向彎曲模態(tài)

圖10 頭車(chē)整備狀態(tài)下的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)

從圖9和圖10可以看出:整備狀態(tài)和最大垂向載荷狀態(tài)下車(chē)體的振動(dòng)頻率有所不同，這是由于兩種工況的動(dòng)載系數(shù)和乘客質(zhì)量的不同造成的，兩種狀態(tài)下，頭車(chē)和中間車(chē)的扭轉(zhuǎn)頻率都比較高，說(shuō)明車(chē)體的扭轉(zhuǎn)剛度較大。通過(guò)與同類型的車(chē)體模態(tài)相比較，該城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體的振動(dòng)頻率及振型符合要求，并能有效避開(kāi)與轉(zhuǎn)向架的相關(guān)振動(dòng)模態(tài)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1)本文提出的14個(gè)載荷工況有效地模擬了城際動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的狀態(tài)，運(yùn)用這些載荷工況校核車(chē)體強(qiáng)度是合理的。

(2)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，該城際動(dòng)車(chē)組車(chē)體在各工況下的應(yīng)力水平都不超過(guò)相應(yīng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力，并且其垂向剛度變形在允許范圍內(nèi)，車(chē)體的強(qiáng)度、剛度和模態(tài)都滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 12663—2000的要求。

(3)計(jì)算結(jié)果表明:采用鋁合金作為城際動(dòng)車(chē)組的車(chē)體材料，在車(chē)體的強(qiáng)度和剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了車(chē)體質(zhì)量的輕量化。

[1]錢(qián)立新.世界高速鐵路技術(shù)[M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

[2]吳仁恩.基于ANSYS的鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元分析研究[D］.北京:北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，2008.

[3]歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).EN 12663—2000軌道車(chē)輛的結(jié)構(gòu)要求[S］.英國(guó):英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，2000.

[4]周偉.地鐵不銹鋼車(chē)體靜強(qiáng)度計(jì)算及模態(tài)分析[J］.都市快軌交通，2007，20(5):47-49.

[5]雷成，肖守訥.地鐵鋁合金車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析[J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2006(1):54-56.

[6]王丹，李強(qiáng).高速客車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)彈性模態(tài)分析研究[J］.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，25(4):94-96.

[7]王賀鵬，佟維.車(chē)體模態(tài)測(cè)試仿真[J］.內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2008(4):1-4.

[8]趙士忠，田愛(ài)琴，趙國(guó)忠，等.新一代高速動(dòng)車(chē)組中間車(chē)車(chē)體的強(qiáng)度及自振頻率[J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(4):12-15.

[9]白彥超，胡震，黃烈威.出口加納動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)車(chē)體強(qiáng)度有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J］.鐵道車(chē)輛，2009，47(12):17-20.