動車組車體靜強(qiáng)度計(jì)算分析及試驗(yàn)

趙衛(wèi)華

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司 河北 唐山 063035）

動車組車體靜強(qiáng)度計(jì)算分析及試驗(yàn)

趙衛(wèi)華

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司 河北 唐山 063035）

本文介紹了新一代時(shí)速250公里動車組車體靜強(qiáng)度的有限元計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果了解掌握應(yīng)力集中的部位,通過車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證是否滿足EN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求—第一部分：機(jī)車和客車》的要求,證明我們設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)是合理的、安全的，該車型的后續(xù)研發(fā)工作才能進(jìn)行，因此車體靜強(qiáng)度的計(jì)算和試驗(yàn)必須進(jìn)行，幫助我們解決設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷等諸多難題。本文同時(shí)對車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的過程進(jìn)行了詳細(xì)論述，提出了試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)工藝手段的改進(jìn)。

靜強(qiáng)度；鋁合金；車體；有限元；ansys；應(yīng)力集中；應(yīng)變片；數(shù)據(jù)分析；數(shù)據(jù)采集

引言

隨著國內(nèi)高速鐵路發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，“十二五”期間高速動車組的需求將從以前的以時(shí)速300～350公里動車組為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詴r(shí)速200～250公里動車組為主，設(shè)計(jì)生產(chǎn)CRH3A動車組。鋁合金車體設(shè)計(jì)完成后生產(chǎn)了試驗(yàn)樣車，試驗(yàn)樣車必須經(jīng)過車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)，滿足EN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求—第一部分：機(jī)車和客車（P-Ⅱ）》的相關(guān)要求，才能證明我們設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)是合理的、安全的，該車型的后續(xù)研發(fā)工作才能進(jìn)行，因此車體靜強(qiáng)度的計(jì)算和試驗(yàn)必須進(jìn)行，幫助我們解決設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷等諸多難題。

1.車體結(jié)構(gòu)簡介

車體主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）車體長度：23860mm； 2）車體定距：17375mm；

3）車體寬度：3300 mm； 4）車體高度：3900mm；

車輛超員總重（不包括轉(zhuǎn)向架重量）42t，車體部件材料為鋁合金。

2.車體有限元模型

建立CRH3A型動車組Mc車車體有限元模型時(shí)，凡是對該車整體剛度及局部強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)，都予以考慮。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。車體有限元模型中單元總數(shù)為1194810，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為895289，圖2給出了車體的有限元模型。

圖示 CRH3A型動車組Mc車車體有限元模型

3.計(jì)算載荷工況

對部分危險(xiǎn)工況的靜強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算包括：垂向超員載荷工況、縱向壓縮工況、縱向拉伸工況、扭轉(zhuǎn)載荷工況，其它工況在此不做介紹。

圖示 垂向超員載荷工況

圖示 扭轉(zhuǎn)載荷工況

圖示 縱向壓縮工況

圖示 縱向拉伸工況

通過分析ANSYS軟件的計(jì)算結(jié)果，確定車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)所貼應(yīng)變片的位置，最終確定在車體的底架、側(cè)墻、端墻、門口等位置共貼應(yīng)變片約200個(gè)。這里所用電阻應(yīng)變計(jì)，BXL120-5AA±0.1歐。

4.車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)過程

4.1 試驗(yàn)工況

4.1.1 垂向載荷試驗(yàn)—T1，車體支承在4個(gè)空簧位。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，本試驗(yàn)工況下的應(yīng)力和位移值，可通過如下公式求得。

式中：

——應(yīng)力；

——位移。

4.1.2 車鉤區(qū)域1500KN壓縮載荷+垂向載荷—T2，車體支承在4個(gè)空簧位。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，本試驗(yàn)工況下的應(yīng)力和位移值，可通過如下公式求得。

4.1.3 車鉤區(qū)域1000KN拉伸載荷+垂向載荷—T3，車體支承在4個(gè)空簧位。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，本試驗(yàn)工況下的應(yīng)力和位移值，可通過如下公式求得。

4.1.4 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)—T4，車體支承在4個(gè)空簧位。

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算：

相對扭轉(zhuǎn)角按下式計(jì)算：

式中：

——相對扭轉(zhuǎn)角，rad；

、 、 、 ——分別為枕梁一位、二位、三位、四位撓度測點(diǎn)在40kN·m扭轉(zhuǎn)載荷作用下的垂向位移值，mm；

——同一枕梁兩撓度測點(diǎn)間的距離，mm。

（2）車體相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度按下式計(jì)算：

式中：

——相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度，N·m2/rad；

——加于車體的扭轉(zhuǎn)力矩，N·m；

——相對扭轉(zhuǎn)截面之間的距離，m。

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程必須保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，這就要求我們必須準(zhǔn)備專用的靜強(qiáng)度試驗(yàn)工裝，以保證試驗(yàn)載荷能夠比較真實(shí)地模擬車體的實(shí)際受力情況。在垂向力的加載上我們采用的是每個(gè)25Kg的沙袋及輔助工裝，其他方向力的加載我們用的是50t和100t的油壓頂緊裝置。

4.2.1 試驗(yàn)用工裝、設(shè)備、儀表

該車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)在專用的試驗(yàn)工裝上完成。

試驗(yàn)設(shè)備及儀表

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 垂向載荷工況

垂向載荷工況產(chǎn)生應(yīng)力最大的是在1.3（m1+m4)，其左右兩邊梁最大撓度部位在中間V13、V23位置，下?lián)献畲笾禐?4.62mm。

4.3.2 縱向壓縮工況

車鉤區(qū)域縱向壓縮工況產(chǎn)生的最大應(yīng)力是在垂向載荷為（m1+m4)時(shí)，其較大應(yīng)力點(diǎn)分布在底架前端車鉤區(qū)域和前端與地板連接區(qū)域，與有限元分析理論值基本相符，只是在車鉤區(qū)域較理論值大，為了使試驗(yàn)數(shù)值真實(shí)，在車鉤連接處我們采用了與實(shí)際連接相同的墊板及螺栓并按照實(shí)際數(shù)值打好扭矩，最后得到的數(shù)值符合EN 12663標(biāo)準(zhǔn)的要求。

縱向壓縮工況產(chǎn)生的最大變形為-9.67。

4.3.3 縱向拉伸工況

車鉤區(qū)域縱向拉伸工況1000KN產(chǎn)生的最大應(yīng)力值分布在車鉤連結(jié)區(qū)域，由于前期有限元計(jì)算結(jié)果同樣顯示該區(qū)域分布較大應(yīng)力集中點(diǎn)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)采取了措施，因此雖然實(shí)際試驗(yàn)同樣顯示該區(qū)域應(yīng)力較為集中，但沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)點(diǎn)，其數(shù)值完全滿足EN 12663標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求。

縱向拉伸工況產(chǎn)生的最大變形為6.63mm

4.3.4 扭轉(zhuǎn)載荷工況

扭轉(zhuǎn)載荷工況產(chǎn)生的最大應(yīng)力點(diǎn)位置主要在側(cè)門口位置，此時(shí)加載位置要盡可能準(zhǔn)確以保證數(shù)據(jù)真實(shí)，該車型的門口為三個(gè)，剛度較差，其中間門口下門角處為最大應(yīng)力點(diǎn)，但較EN 12663中要求值低很多，因此滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 總結(jié)

1）對模型進(jìn)行的有限元計(jì)算，對后期試驗(yàn)起到了指導(dǎo)性作用，是的試驗(yàn)方向準(zhǔn)確，達(dá)到最佳的試驗(yàn)效果。

2）現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)彌補(bǔ)了理論計(jì)算的不足，真實(shí)的將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與制造工藝手段的結(jié)果反映出來，最終指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)研發(fā)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

3）現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)加載方式、被加載對象的狀態(tài)等諸多因素有關(guān)，我們必須考慮周全。

4）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取必須考慮疊加，以避免數(shù)據(jù)偏差。

5）整個(gè)試驗(yàn)過程中要多次檢測單位加載模塊變化，保證加載值準(zhǔn)確。

6) 總體試驗(yàn)結(jié)論滿足BS EN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求—第一部分：機(jī)車和客車》。

[1] BS EN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求—第一部分：機(jī)車和客車》.

Calculation and analysis of the static strength of the car body and its test

ZHAO Wei-hua. Tangshan Zhongche Locomotive Vehicle Co Ltd, Hebei Province, Tangshan 063035, China

This paper introduces the finite element calculations of a new generation of 250 kilometers per hour EMU car body static strength , understands the parts of stress concentration based on the results of calculation; by the way of the car body static strength tests verifies requirements whether to meet EN12663-1: 2010 "Railway applications - structure requirements of railway vehicles - part I: locomotives and passenger cars "requirement, to prove that we designed body structure is reasonable, safe, and following can be start then .so that body static strength calculation and tests must be carried out to help we resolve design defects, manufacturing defects and many other problems. This paper also talks about static strength tests process on the car body in detail, as well as test methods and test process improvement.

Static strength; Aluminum alloy; Car body; The finite element; Ansys; Stress concentration; Strain gauges; Data analysis; Data acquisition

U26

A

1009-5624-（2016）03-0079-03