蒼 松

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，沈陽 110023）

車輛在高速運行時，氣動載荷對車體強(qiáng)度有很大影響，特別是在通過隧道、高速會車及受到強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響時，車體將承受相當(dāng)大的氣動載荷，這就對高速列車的車體強(qiáng)度提出了更高的要求。本文研究的250 km/h高速鐵路客車車體采用不銹鋼點焊結(jié)構(gòu)。不銹鋼具有耐腐蝕、外形美觀、使用壽命長、重量輕、強(qiáng)度高、維護(hù)費用低等優(yōu)點，國內(nèi)外大部分高速鐵路客車及地鐵車輛均采用不銹鋼作為車體材料。本文參照EN12663標(biāo)準(zhǔn)對該型鐵路客車頭車車體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的有限元分析，以確定該車體是否滿足要求。

1 客車車體結(jié)構(gòu)特征

不銹鋼具有高電阻率、低熱導(dǎo)率，大膨脹系數(shù)等特征，在高溫焊接時，其散熱慢而變形大，因此在組焊過程中不宜使用電弧焊而采用點焊。點焊的車體是點傳力結(jié)構(gòu)，當(dāng)車體承受外部載荷后，載荷通過焊點將力傳遞到車體其它部位，產(chǎn)生車體各個部位的應(yīng)力形變。不銹鋼點焊客車車體承載結(jié)構(gòu)主要由底架、側(cè)墻、端墻、車頂?shù)蠕摻Y(jié)構(gòu)大部件焊接而成。車體鋼結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度不銹鋼材料，強(qiáng)度高，塑性好，硬度適中。車體基本重量參數(shù)如表1和表2所示。

2 評定標(biāo)準(zhǔn)

表1 車體基本重量

表2 車體結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

（1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7928-2003，軌道車輛在最大垂直靜載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離的1‰。該車輛定距為19 000 mm，因此，車體最大撓度不能超過19 mm。

（2）車體靜強(qiáng)度有限元分析評定標(biāo)準(zhǔn)和安全系數(shù)的選取均依據(jù)EN12663。車體在各計算工況作用下的應(yīng)力均不得大于車體該部位所用材料的許用應(yīng)力。

3 車體幾何模型及有限元模型

3.1 車體幾何模型建立

幾何模型的建立是根據(jù)實際車體等比例建模，主體結(jié)構(gòu)及型材的斷面尺寸都與實際車體一致。對部分不影響有限元分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了刪減，以簡化建模工作量。主要建立與車體型材中面線框相對應(yīng)的、后續(xù)有限元分析真正需要的車體幾何模型。本次分析使用HYPERMESH建立對應(yīng)的車體三維模型及后續(xù)的劃分單元網(wǎng)格。

3.2 車體有限元模型建立

綜合分析不銹鋼點焊車結(jié)構(gòu)“點傳力”特點、焊點數(shù)量以及軟件的可執(zhí)行性，車體鋼結(jié)構(gòu)有限元模型以任意4節(jié)點等參殼體單元為主，3節(jié)點三角型單元為輔整車結(jié)構(gòu)的有限元模型中包含：節(jié)點877 455個、實體單元32 190個，殼體單元726 476個，焊點單元53 399個，質(zhì)量單元38 626個；定義仿真參數(shù)設(shè)定仿真工況；利用ANSYS求解器進(jìn)行有限元分析，車體有限元模型如圖1所示。

4 載荷工況和位移約束

參考EN12663，結(jié)合該不銹鋼點焊車車體強(qiáng)度計算特點，制定出車體靜強(qiáng)度計算工況如表3所示。

部分載荷處理如下：整備車體自重以重力加速度的形式施加；壓縮力以一對方向相反的集中載荷形式分別施加在前后車鉤重心位置；乘客荷載均勻施加到地板上。

圖1 車體有限元模型圖

表3 車體載荷工況

5 靜強(qiáng)度結(jié)果分析

對該車鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，得到結(jié)果如下：在最大垂直靜載荷作用下，該車車體的最大撓度為14.253 mm，發(fā)生在地板中央處，車體底架邊梁和車體垂向位移云圖如圖2所示。部分工況最大位移和最大應(yīng)力如表4所示。

圖2 最大垂直靜載荷下的垂向位移云圖

（1）整備狀態(tài)下車鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結(jié)果云圖如圖3所示。

（2）最大載荷下車鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結(jié)果云圖如圖4所示。

6 結(jié)束語

計算過程中對該種不銹鋼點焊結(jié)構(gòu)車體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的分析計算，分別計算了各種工況下車體最大應(yīng)力所在部位和所對應(yīng)的最大應(yīng)力值，對比最大應(yīng)力處所使用材料的屈服強(qiáng)度，計算出了靜力安全系數(shù)，并最終提出優(yōu)化方案。優(yōu)化方案的計算結(jié)果表明：各工況靜強(qiáng)度滿足要求；在最大垂直靜載荷作用下，該車車體的最大撓度為15.217 mm，小于19 mm，滿足要求；結(jié)構(gòu)一階垂向彎曲振型頻率14.031 Hz；整備狀態(tài)下的一階垂向彎曲振型頻率9.426 Hz，滿足車輛的使用要求。

表4 部分工況最大位移和最大應(yīng)力

圖3 整備狀態(tài)下車鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結(jié)果云圖

圖4 最大載荷下車鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結(jié)果云圖

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