城際動車組鋁合金車體結構有限元分析

雷 成，肖守訥，羅世輝

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都610031;2.鄭州鐵路職業(yè)技術學院 車輛工程學院，河南 鄭州450052)

0 引言

采用鋁合金材料制造的車體具有制造工藝簡單、減重效果好、耐腐蝕、運行平穩(wěn)性好等優(yōu)點[1］，因此，鋁合金材料廣泛地應用于高速動車組車體。

車體是動車組的主要承載部件之一，車體在運行過程中會受到各種力的作用。因此，要求動車組的車體具有足夠的強度和剛度，并滿足相關技術標準的要求。

目前，中國在高速動車組車體結構設計方面雖然進行了大量的研究，并取得了較大的進步，但與世界先進技術相比還有很大的差距，特別是在車體結構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建立某城際動車組車體結構的有限元模型，并依據(jù)EN 12663—2000[3］的有關規(guī)定對車體強度進行計算分析，得到車體結構在各個工況下的應力水平、剛度、自振頻率及振型。

1 鋁合金車體材料的力學性能

車體主要承載結構及司機室均為鋁合金材料。所用材料的機械特性如表1所示，其中t表示板厚(單位mm)，即對應于不同的厚度，材料的機械特性有所不同。

表1 材料的機械性能

2 車體的有限元模型

由于鋁合金車體的零部件基本是薄壁構件，所以車體結構全部采用殼單元shell63模擬;底架設備、空調和門窗采用質量單元mass21模擬，并施加在各自的位置上;二系懸掛采用彈簧單元combin14進行模擬;內裝、管線等垂直荷載采用均布荷載的形式施加在地板上。

考慮到車體結構的對稱性，并節(jié)省計算時間，計算模型采用半個車體模型[4］，取底架承載較重一邊。利用ANSYS軟件，采用殼單元，對整車結構進行離散，平均網格邊長為40 mm。頭車半車承載結構模型質量為4 285.5 kg，計算模型包括596 806個節(jié)點，779 470個單元，有限元模型如圖1所示。中間車承載結構模型質量為4 077 kg，計算模型包括582 393個節(jié)點，754 299個單元，有限元模型如圖2所示。動車組頭車底架主要焊縫如圖3所示，側墻主要焊縫如圖4所示，車頂主要焊縫如圖5所示，端墻及司機室主要焊縫如圖6所示。除司機室外，在車體部分，中間車的焊縫位置與頭車一致。

圖1 城際動車組頭車的有限元模型

圖2 城際動車組中間車的有限元模型

圖3 動車組頭車底架主要焊縫

圖4 動車組頭車側墻主要焊縫

圖5 動車組頭車車頂主要焊縫

圖6 動車組頭車端墻及司機室主要焊縫

按照EN 12663—2000標準中的要求，對車體進行了14種靜力考核工況和車體結構的模態(tài)分析，具體如表2所示。

仿真分析中母材和焊縫靜態(tài)分析驗收的標準如下:

(1)沒有永久變形。

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

表2 計算工況和載荷

3 鋁合金車體的強度計算分析

3.1 車體結構的應力分析

以頭車為例，對其有限元模型施加不同載荷工況下的邊界條件，經過計算分析，各個工況下焊縫區(qū)的應力(距離焊縫一定距離的節(jié)點應力)最大值如表3所示。從表3中可以看出:各個工況下頭車焊縫的應力都在許用應力范圍內，符合靜強度的要求。

表3 各個工況下頭車焊縫的應力最大值 MPa

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

表4 各個工況下頭車母材的應力最大值 MPa

綜上所述，頭車的靜強度滿足要求。通過對中間車車體的計算分析，同樣可以得出其靜強度也滿足要求。

3.2 車體結構的變形分析

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19 mm。在最大垂向載荷下的車鉤1 000 kN拉伸載荷工況中，頭車和中間車底架縱向梁的最大垂向變形最大。圖7為該工況下頭車車體結構的垂向變形，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，符合標準的要求。圖8為中間車車體結構的垂向變形，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，符合標準的要求。

圖7 頭車車體結構的垂向變形

圖8 中間車車體結構的垂向變形

3.3 車體結構的模態(tài)分析

車體結構的模態(tài)是評價列車運行安全性和乘坐舒適性的一個重要參數(shù)[5-6］。模態(tài)分析也是動車組車體設計中結構分析的主要內容之一[7］，尤其是低階模態(tài)，能反映車體整體的剛度性能[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模態(tài)。表5列出了城際動車組鋁合金車體的自振頻率，其中，頭車整備狀態(tài)下的一階垂向彎曲模態(tài)如圖9所示，一階扭轉模態(tài)如圖10所示。

表5 城際動車組車體的振動模態(tài)

圖9 頭車整備狀態(tài)下的一階垂向彎曲模態(tài)

圖10 頭車整備狀態(tài)下的一階扭轉模態(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)下車體的振動頻率有所不同，這是由于兩種工況的動載系數(shù)和乘客質量的不同造成的，兩種狀態(tài)下，頭車和中間車的扭轉頻率都比較高，說明車體的扭轉剛度較大。通過與同類型的車體模態(tài)相比較，該城際動車組車體的振動頻率及振型符合要求，并能有效避開與轉向架的相關振動模態(tài)，達到設計要求。

4 結論

(1)本文提出的14個載荷工況有效地模擬了城際動車組鋁合金車輛在運營過程中的狀態(tài)，運用這些載荷工況校核車體強度是合理的。

(2)經過計算分析，該城際動車組車體在各工況下的應力水平都不超過相應結構對應的許用應力，并且其垂向剛度變形在允許范圍內，車體的強度、剛度和模態(tài)都滿足標準EN 12663—2000的要求。

(3)計算結果表明:采用鋁合金作為城際動車組的車體材料，在車體的強度和剛度滿足標準要求的同時，也實現(xiàn)了車體質量的輕量化。

[1]錢立新.世界高速鐵路技術[M］.北京:中國鐵道出版社，2003.

[2]吳仁恩.基于ANSYS的鋁合金車體結構有限元分析研究[D］.北京:北京交通大學機械與電子控制工程學院，2008.

[3]歐洲標準化委員會.EN 12663—2000軌道車輛的結構要求[S］.英國:英國標準協(xié)會，2000.

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

[5]雷成，肖守訥.地鐵鋁合金車體的結構設計和強度分析[J］.機車電傳動，2006(1):54-56.

[6]王丹，李強.高速客車車體鋼結構彈性模態(tài)分析研究[J］.北方交通大學學報，2001，25(4):94-96.

[7]王賀鵬，佟維.車體模態(tài)測試仿真[J］.內燃機車，2008(4):1-4.

[8]趙士忠，田愛琴，趙國忠，等.新一代高速動車組中間車車體的強度及自振頻率[J］.大連交通大學學報，2012，33(4):12-15.

[9]白彥超，胡震，黃烈威.出口加納動車組動車車體強度有限元分析及結構優(yōu)化[J］.鐵道車輛，2009，47(12):17-20.