某型號時速250 km的不銹鋼點焊車體鋼結構強度分析

蒼 松

（遼寧軌道交通職業學院，沈陽 110023）

車輛在高速運行時，氣動載荷對車體強度有很大影響，特別是在通過隧道、高速會車及受到強側風影響時，車體將承受相當大的氣動載荷，這就對高速列車的車體強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構。不銹鋼具有耐腐蝕、外形美觀、使用壽命長、重量輕、強度高、維護費用低等優點，國內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標準對該型鐵路客車頭車車體鋼結構進行了強度和剛度的有限元分析，以確定該車體是否滿足要求。

1 客車車體結構特征

不銹鋼具有高電阻率、低熱導率，大膨脹系數等特征，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構，當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，產生車體各個部位的應力形變。不銹鋼點焊客車車體承載結構主要由底架、側墻、端墻、車頂等鋼結構大部件焊接而成。車體鋼結構采用高強度不銹鋼材料，強度高，塑性好，硬度適中。車體基本重量參數如表1和表2所示。

2 評定標準

表1 車體基本重量

表2 車體結構材料參數

（1）根據標準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）車體靜強度有限元分析評定標準和安全系數的選取均依據EN12663。車體在各計算工況作用下的應力均不得大于車體該部位所用材料的許用應力。

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實際車體等比例建模，主體結構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果的結構單元進行了刪減，以簡化建模工作量。主要建立與車體型材中面線框相對應的、后續有限元分析真正需要的車體幾何模型。本次分析使用HYPERMESH建立對應的車體三維模型及后續的劃分單元網格。

3.2 車體有限元模型建立

綜合分析不銹鋼點焊車結構“點傳力”特點、焊點數量以及軟件的可執行性，車體鋼結構有限元模型以任意4節點等參殼體單元為主，3節點三角型單元為輔整車結構的有限元模型中包含：節點877 455個、實體單元32 190個，殼體單元726 476個，焊點單元53 399個，質量單元38 626個；定義仿真參數設定仿真工況；利用ANSYS求解器進行有限元分析，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，結合該不銹鋼點焊車車體強度計算特點，制定出車體靜強度計算工況如表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 靜強度結果分析

對該車鋼結構進行計算，得到結果如下：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）整備狀態下車鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結果云圖如圖3所示。

（2）最大載荷下車鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結果云圖如圖4所示。

6 結束語

計算過程中對該種不銹鋼點焊結構車體進行了結構強度和剛度的分析計算，分別計算了各種工況下車體最大應力所在部位和所對應的最大應力值，對比最大應力處所使用材料的屈服強度，計算出了靜力安全系數，并最終提出優化方案。優化方案的計算結果表明：各工況靜強度滿足要求；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；結構一階垂向彎曲振型頻率14.031 Hz；整備狀態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力

圖3 整備狀態下車鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結果云圖

圖4 最大載荷下車鉤高度1 500 kN壓縮力情況下的結果云圖

[1] BeuthVerlagGmbH.StructuralRequirementsofRailwayVehicleB odies：EN12663-1/2010[S].Berlin: CNE, 2010.

[2] 楊 廣,張慶剛,李東波,等.160km/h城際車鋁合金車體有限元分析[J].中國鐵路, 2013（10）：73-75.

[3] 大連交通大學. 200km/h不銹鋼點焊車頭車鋼結構強度、剛度和模態分析報告[R].大連：大連交通大學，2013.

[4] 中華人民共和國鐵道部．鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范：TB/T 1335—1996 [S].北京：中國鐵道出版社，1996．

[5] 聶春戈,魏鴻亮,董平沙,等.基于結構應力方法的正面角焊縫抗剪強度分析[J].焊接學報，2015，36（1）：70-74.

[6] NieC,Dong P.A traction stress based shear strength definition for fillet welds[J]．The Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2012，47（8）：562-575．

[7] 王長仁，聶春戈，楊占峰.采用大噸位油壓機矯正轉向架構架焊接變形探討[J].鐵道機車車輛，2011，31（2）：60-61.

[8] 馬思群,劉業華,韓清凱,等.焊接順序對高速列車側墻焊接殘余應力的影響[J].大連交通大學學報，2015，36（3）：68-72.

[9] 羅光兵.高速客車車輪不圓對車輛振動影響的分析[J].鐵路計算機應用，2017，26（7）：74-77.