車體材料結構及模態研究

摘要：車體作為軌道車輛的重要部件之一，不僅要滿足軌道車輛輕量化、智能化的要求，承受各種靜動載荷，適應最大運行速度，在列車事故狀態下盡可能保證乘客安全，還要保證軌道車輛各系統部件振動的協調性，滿足軌道列車舒適性、平穩性要求。模態是結構系統的固有振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型，整車模態的匹配性直接反映出車輛的穩定性和舒適性，本文通過對不銹鋼城鐵車的車體結構及模態分析，對車體的設計提出建設性意見。

關鍵詞：車體;材料;模態

1 車體結構及模態研究的必要性

近年來，我國各大主要城市的軌道交通建設如火如荼，對地鐵及輕軌列車的需要越來越旺盛，列車速度也由原來的60-80km/h提高到100km/h。隨著列車速度的不斷提高，線路固有頻率范圍加寬，而車輛自重不斷減輕，其固有頻率降低，這樣就導致車體的低階彈性振型有可能處于線路的激擾范圍之內，從而使車體產生較大的振動。這樣帶來的危害：一是車體某些部位產生較大的變形，影響疲勞壽命;二是車體的振動會傳遞到車上的地板、座椅，降低乘坐的舒適度。車身結構除了必須具有足夠的強度以保證其疲勞壽命、足夠的靜剛度以保證其裝配和使用的要求外，還應有合理的動態特性以達到控制振動和噪聲的目的。因此需要對其模態特性進行研究。

鑒于目前各車型車體設計在結構、模態等性能方面的被動性，必須總結規律，研究出優化結構、提高模態的有效途徑。合理的車體結構設計不僅能最大程度發揮車體的承載能力，也能有效減小車體振動，進而提高乘坐舒適度和安全性。因此，需要針對車體結構對車輛模態特性的影響進行深入研究，為車體結構優化設計提供依據，最終達到提高列車運行舒適性及安全性的目的。

2 車體結構

2.1 車體結構基本要求

1）車體的設計壽命不低于30年;在30年內車體結構件無重修或加固。

2）車體設計符合EN 12663《鐵路車輛車體結構要求》標準中歸屬P-Ⅲ（地鐵和快速運輸車輛）類結構要求。車體承受各種最大垂直載荷的同時，沿車鉤縱向水平方向施加不小于1200kN的靜壓載荷，不小于960kN拉伸載荷。

3）車體的焊接滿足設計要求和EN 15085標準或等同國際標準。

4）車體主體結構采用SUS301L不銹鋼材料，底架前端采用碳鋼材料制造。

2.2 技術參數

車輛長度（車鉤連接面之間的長度）

TC車 ??????24，400mm

Mp/M車 ????22，800mm

列車長度 ??140，000mm

車輛寬度 ??3，000mm

車輛高度 ??軌頂面至車頂之間的高度（新輪，不包括受電弓）≤3，800mm，受電弓（落弓高度）：3810--3890mm

客室內部高度（從地板面至內部車頂中心線） ≥2，120mm

從軌頂面至地板面高度（新輪、空載、空氣簧充氣） 1，130mm

轉向架中心距 ??15，700mm

車鉤水平中心線距軌頂面高度 ???720mm

2.3 主要結構

A型不銹鋼車體鋼結構布置如圖1所示;A型不銹鋼車體鋼結構三維建模如圖2所示。

2.4 車體材料

車體鋼結構分為端墻、側墻、車頂、底架及其他連接部件幾部分，主要使用材料如表1所示。

3模態分析

采用有限元仿真計算方法，在Hypermesh軟件中建立車輛有限元模型，然后導入ANSYSR軟件中進行模態計算，分別對車體的鋁結構模態、無吊掛設備時的整備模態、含吊掛設備（剛性聯接）時的整備模態進行建模和計算，設備和車體模態匹配表計算結果如表2所示。

不銹鋼車體采用超低碳（C<0.03%）的SUS301L車輛專用經濟不銹鋼，通過壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT5個強度級。SUS301L的改性壓延狀態機械性能代號HT的屈服點在961N/mm2以上，拉伸強度在1275N/mm2以上。其縱向彈性模量（E）卻只有鋼的85%，這意味著不銹鋼車體比同樣結構的耐候鋼車剛度要小。剛度下降將導致舒適性下降。

在產品開發初期，就必須考慮整車結構特征和各個系統的布置，使得振動最小。減小整車低頻振動，可以從下面幾個方面來考慮：

①加強結構強度。車體承載結構由型材或者由板梁結構構成。增加這些梁結構的截面積就可以增加其剛度。增加截面積可能受到空間布置的影響，在這種情況下，設計經理及主管就需要權衡車體模態及整車空間布置的重要性，合理的進行車體方案設計來達到提高剛度的目的。

②避免車下吊掛設備與車體的耦合振動。一些需要主機廠自己設計的部件，如轉向架、車體承載結構、車下吊裝設備、某些附屬系統等，應該避開車體承載結構的第一階垂向模態頻率和第一階扭轉模態頻率。為實現整車有較好的振動噪聲性能，通常采用的方法是：使所設計部件的模態頻率值遠高于車體承載結構的一階垂向彎曲和一階扭轉頻率;將該部件布置在車體承載結構的模態節點上。

③避免轉向架與彈性車體耦合振動。為避免彈性車體與構架耦合振動、降低構架振動傳遞所導致的車體彈性振動，懸架系統要盡可能安裝在車體的模態節點上。

4結論

我國軌道車輛研發技術經過了較長的發展過程，初期的軌道車輛車體采用碳鋼材質。由于碳鋼車體存在耐腐蝕性差、質量大、后期維護費用高等缺陷，故碳鋼材質在車體上的應用顯著減少。后來，在借鑒國外先進經驗的基礎上，我國進行了不銹鋼車體的研發，并在車體的結構設計和制造工藝等方面取得了重要突破。目前，我國軌道車輛車體廣泛選用不銹鋼材質。

本文僅通過對我司典型項目車體材料、結構參數的對比分析，定性提出車體結構參數會在一定程度上影響車體模態特性，后續如果條件允許，可以選取某一典型車型有針對性的更改個別車體結構參數（車體長度、車體高度、軸距、車頂、側墻、底架等大部件型材斷面結構及型材壁厚），通過三維建模及仿真計算等方法，進一步定量的驗證上述參數的改變對車體模態參數的影響程度，識別出上述參數中對車體模態參數影響最有利的結構參數，并在后續車體結構動態設計過程中予以應用。

合理優化結構設計是減輕重量的有效措施，優化車體結構是在保證兼顧車體強度與剛度的基礎上利用強度理論和優化設計分析程序，把車體設計成為充分利用材料強度和整體承載筒形結構。經驗證明，通過優化計算設計，車體結構重量至少可以減輕10%。合理的車輛動態性能結構設計，將使車體具有良好的動態特性，不僅能避免與轉向架構架自振頻率接近，也能提高車體的彈性彎曲自振頻率，從而減小振動，提高車輛的舒適性及安全可靠性。

作者簡介：張艷杰（1982—），男，單位：長春軌道客車股份有限公司工程研究中心，高級工程師。

（作者單位：長春軌道客車股份有限公司工程研究中心）