安紅恩，張　鵬

(黃河交通學(xué)院，河南 武陟　454950)

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25T客車車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算及振動(dòng)模態(tài)分析

安紅恩，張鵬

(黃河交通學(xué)院，河南 武陟454950)

摘要：根據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》和BS EN12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies》的有關(guān)要求，在與工廠相關(guān)技術(shù)人員討論的基礎(chǔ)上，確定了計(jì)算載荷、計(jì)算工況和評定方法；根據(jù)詳細(xì)的車體結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)模型，采用通用有限元NSTRAN軟件計(jì)算了車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、振動(dòng)模態(tài)以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明：車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度在各計(jì)算工況下皆能滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的要求。

關(guān)鍵詞：碳鋼車體結(jié)構(gòu)；靜強(qiáng)度；振動(dòng)模態(tài)；有限元

隨著軌道交通車輛制造技術(shù)的不斷提高，客車車體以其美觀的外形、高強(qiáng)度的質(zhì)量比、良好的耐腐蝕性、較低的維護(hù)費(fèi)、較長的使用壽命、較高的安全性等優(yōu)點(diǎn)，得到了社會(huì)的青睞。為檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)的合理性、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化性，必須對客車車體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)的分析和靜強(qiáng)度的計(jì)算。

南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司技術(shù)中心客車設(shè)計(jì)部設(shè)計(jì)的25T型客車車輛的車體結(jié)構(gòu)由底架、左右側(cè)墻、車頂、端墻組成，車體結(jié)構(gòu)承載件均為碳鋼材料，所有結(jié)構(gòu)均采用焊接連接形成整體，主要焊接形式為搭接焊、對接焊、角焊和塞焊[1]。

本次計(jì)算分析按照TB/T1335—1996標(biāo)準(zhǔn)中對車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)模態(tài)的規(guī)定和BS EN 12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)中對車體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性規(guī)定進(jìn)行。在計(jì)算模型的建立中，充分考慮了車體各部分連接的真實(shí)情況，車體結(jié)構(gòu)的薄板采用殼單元進(jìn)行離散，塞焊連接處采用特殊的點(diǎn)焊單元模擬其連接。所有計(jì)算分析均在有限元通用商業(yè)軟件NASTRAN上完成。

1模型說明

車體結(jié)構(gòu)各部位所用材料如表1所示。

表1　車體結(jié)構(gòu)所用材料的分布表

2載荷及計(jì)算工況

2.1載荷

根據(jù)公司提供的設(shè)計(jì)資料，車體的重量分布如表2所示。

表2　車體重量分布

(續(xù)表)

2.2各工況載荷及約束

質(zhì)量符號說明如表3。

表3　質(zhì)量符號說明/kg

對設(shè)計(jì)的8個(gè)靜強(qiáng)度工況和4個(gè)振動(dòng)模態(tài)及穩(wěn)定性計(jì)算工況分別施加載荷和約束，其模態(tài)和穩(wěn)定性工況說明如表4。

表4　模態(tài)和穩(wěn)定性工況說明

3驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

3.1靜強(qiáng)度要求

靜強(qiáng)度計(jì)算分析的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)不產(chǎn)生永久變形。

(2)根據(jù)TB/T1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的要求，通過計(jì)算得到的材料的應(yīng)力值在一般工況下必須小于等于相應(yīng)的許用應(yīng)力，在設(shè)備沖擊工況下也必須小于等于相應(yīng)的許用應(yīng)力[2-3]。

3.2彎曲剛度要求

車體側(cè)墻的彎曲等效剛度應(yīng)大于等于1.8×109N·m2。

3.3扭轉(zhuǎn)剛度要求

車體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)等效剛度應(yīng)大于等于5.5×108N·m2。

3.4穩(wěn)定性要求

車體結(jié)構(gòu)在滿載和壓縮狀態(tài)下，各部分結(jié)構(gòu)的最小屈曲載荷因子大于1.5。

4車體的模態(tài)分析

4.1車體承載結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

如表5所示，車體結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲振動(dòng)頻率最小值為16.564 Hz，車體結(jié)構(gòu)的一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率最小值為21.397 Hz，一階菱形變形頻率最小值為8.616 Hz，能有效避開與轉(zhuǎn)向架的相關(guān)振動(dòng)模態(tài)[4-5]。

表5　車體自振頻率/Hz

4.2整備狀態(tài)下模態(tài)分析

如表6所示，整備狀態(tài)下車體的一階垂向彎曲振動(dòng)頻率最小值為10.04 Hz，車體結(jié)構(gòu)的一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率最小值為12.57 Hz，一階菱形變形頻率最小值為5.721 Hz，能有效避開與轉(zhuǎn)向架的相關(guān)振動(dòng)模態(tài)。

表6　車體自振頻率/Hz

5車體穩(wěn)定性分析

對車體進(jìn)行了滿載狀態(tài)和壓縮狀態(tài)的穩(wěn)定性分析，考核車體結(jié)構(gòu)在極限載荷作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。表7列出了在兩種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的固有頻率及其出現(xiàn)的位置。計(jì)算結(jié)果表明車體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

6結(jié)論

按照TB/T1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，對車體結(jié)構(gòu)的7種靜強(qiáng)度考核工況、2種結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)考核工況以及2種穩(wěn)定性考核工況進(jìn)行了計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論：

一是車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度在各計(jì)算工況下皆能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

二是車體結(jié)構(gòu)的等效彎曲剛度和等效扭轉(zhuǎn)剛度皆滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

三是車體的一階垂直彎曲頻率為10.04 Hz，與通常此類型車輛頻率相近，需根據(jù)轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)頻率判斷有無共振可能性。

四是車體在滿載和壓縮狀態(tài)下最小屈曲因子均大于1.5，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]魯寨軍,田紅旗,周丹.270km·h-1高速動(dòng)車模態(tài)分析[J].中國鐵道科學(xué),2005,26(6):18-19.

[2]張曙光．高速列車設(shè)計(jì)方法研究[M]．北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]郝魯波，胡青泥，李剛．整備狀態(tài)下客車模態(tài)的有限元分析探討[J]．鐵道車輛，2004，42(11)：4-7．

[4]許彥強(qiáng)，肖守訥．某出口米軌動(dòng)車組(Tc車)車體設(shè)計(jì)及試驗(yàn)對比研究[J]．鐵道機(jī)車車輛,2012,32(3):71-75.

[5]鄒遠(yuǎn)．高速列車車體斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]．成都：西南交通大學(xué),2011.

[6]江太宏．動(dòng)力加載車車體設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證[D]．成都：西南交通大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：趙偉]

收稿日期：2016 - 03 - 02

作者簡介：安紅恩(1982—)，男，河南商丘人，黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院講師，碩士， 研究方向?yàn)檐囕v裝備及液壓控制。 張鵬(1981—)，男，江蘇揚(yáng)州人，黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)檐囕v及其裝備系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

中圖分類號:U260.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號：1008-6811(2016)02-0038-03

25T Bus Body Structure Static Strength Calculation and Analysis of Vibration Modes

An Hongen,Zhang Peng

(Huanghe Jiaotong University, Wuzhi 454950,China)

Abstract:According TB / T 1335—1996 "railway vehicle strength design and test evaluation norms" and EN12663—1: 2010 "Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies", the load calculation, calculation conditions and evaluation method is determined on the basis of discussions with the technical staff in the factory; based on detailed finite element model of the body structure,using finite element program NSTRAN software to calculate the vehicle body static strength body structure, vibration modes and structural stability. The results show that: the static strength of the body structure in the calculation of operating conditions Jieneng meet TB / T 1335—1996 "railway vehicle strength design and test evaluation" requirements.

Key words:carbon steel body structure; static strength; vibration mode; finite element