CR200J 動力集中型動車組車體結構靜力與模態分析

張山高，張輝，閆青

（中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州車輛段，甘肅蘭州 730050）

CR200J 動力集中型動車組列車具有比普速列車方便快捷、舒適性高、服務品質優等優點，比高速動車組列車運營范圍廣、成本低等優勢，因而在普速鐵路開行CR200J 動力集中型動車組能夠滿足旅客市場需求，對于完善鐵路客運產品體系、提高普速鐵路客運運營效益具有重要的意義[1]。

CR200J 動力集中型動車組車體作為車輛的重要承載構件，車體在運行過程中受到復雜載荷作用，包括列車的牽引力、制動力、各向沖擊載荷的作用力和來自車上設備振動產生的動載荷，因此為保證車體運行過程中的安全性、平穩性和舒適性，其結構的強度和剛度必須滿足線路運行設計標準的要求[2-3]。

本文首先通過ANSYS 有限元軟件分析了CR200J動力集中型動車組車體在不同載荷工況下的靜強度與剛度，找出車體應力集中的部位及車體薄弱環節，分析其強度及剛度是否滿足要求。然后對該車體的前11階模態進行分析，計算得出各模態下車體的固有頻率及各階模態所對應的振型圖。根據分析結果，提取出車體結構對應的幾階主模態，得出其相應的振型與固有頻率，分析其固有頻率是否滿足要求。

1 車體結構

CR200J 動力集中型動車組分為短編組和長編組2種，其中短編組為9 輛編組，1 動7 托1 控，全部為座車；長編組為20 編，2 動18 拖，編組形式為1 輛動力車+4 輛二等臥車+5 輛一等臥車+1 輛二等座車/餐車+2輛二等座車+6 輛二等臥車+1 輛動力車[1]。

1.1 CR200J 動力集中型動車組車體結構主要技術參數

CR200J 動力集中型動車組車體結構主要技術參數如下：車體長度25 500 mm，車體寬度3 105 mm，車頂距軌面高度（空車時）4 433 mm，客室地面距軌面高度1 283 mm，車輛定距18 000 mm，自重55.8 t，載重12.36 t，整備質量1.08 t，軸重小于等于16.5 t，車鉤中心線距軌面高度8800-30mm，最高運營速度160 km/h。

1.2 車體結構的主要材料

CR200J 動力集中型動車組拖車車體結構加工材料延用25T 型客車車體材料，其車體鋼結構中用厚度小于等于6 mm的鎳鉻系耐候鋼、厚度小于等于2.5 mm的05CuPCrNi 鋼、厚度在3 ～6 mm 范圍內的Q295GNHL 型鋼的板材和型材，普通碳素鋼板材的厚度大于6 mm。不銹鋼板主要用于車頂空調機組座處、洗臉間、廁所、鐵地板等易腐蝕部位，車體鋼結構中所使用的所有鋼材具有良好的可焊性[4]。車體結構采用全鋼的整體承載筒形結構，下設裙板，可大大減小車體高速運行時的空氣阻力。

2 車體有限元模型的構建

根據CR200J 動車組拖車車體的二維圖紙，在充分熟悉該車體的構成部件及鋼結構型材的結構特點的基礎上，按照板殼單元的建模方法，省略一些不必要的細節和附件結構，利用三維建模軟件分別建立車體底架、車頂、側墻和端墻的部件模型，并將部件進行組裝，完成車體足尺模型的建立。車體結構三維模型如圖1 所示。

圖1 車體結構三維模型

3 車體結構靜強度及剛度分析

3.1 車體結構工況計算

根據TB/T 1335—1996 規定，制定17 個計算工況進行計算，17 個具體工況及計算結果如表1 所示。

表1 載荷工況

3.2 有限元建模

以任意四節點薄殼單元為主，建立動車組車體的有限元模型。考慮拖車車體的底架與牽引梁、枕梁、緩沖梁連接方式的特點，在建模過程中，將它們之間的焊接關系由剛性單元來模擬，車頭與車體的鉚接傳力連接也是采用剛性單元來模擬。考慮到計算的準確性與模擬的真實性，建立整個車廂的足尺模型，靜強度計算中的所有荷載工況均以整車結構為計算對象。整車車體結構的有限元模型共計120 772 個單元，66 237 個節點，模型如圖2 所示。

圖2 車體整體有限元模型

3.3 車體靜強度及剛度分析結果

車體靜強度分析：分析車體在17 種荷載工況下的靜強度，在工況1 5 下，車體最大工作應力為155.11 MPa，小于材料的許用應力216 MPa。其他工況下最大工作應力均小于許用應力，車體強度滿足標準要求，并且最大工作應力與許用應力之間均存在一定的差值，為后續安全維修提供參考依據。以工況4 和工況15 為例，車體應力云圖如圖3、圖4 所示。

圖3 工況4 應力云圖

圖4 工況15 應力云圖

車體剛度分析：查閱標準可知，車體底架的變形不能超出定距的1/1 000[5-6]，即17.5 mm，車體剛度性能才能滿足要求，通過對車體在17 種載荷工況下剛度的分析，每種工況下車體底架的變形量均不超過17.5 mm，車體剛度滿足標準要求，以工況1、工況7和工況17 為例，位移云圖如圖5 所示。

圖5 位移云圖

4 車體結構模態的分析

車體的固有頻率可以通過模態計算和分析得出，根據固有頻率得出相應的振型，車體結構的剛度協調性通過模態計算和分析而檢測到，可以避免產生共振，即轉向架固有頻率或車載設備的頻率不得接近或相等。并分析各階模態振型所對應的結構的薄弱環節，為車體結構的疲勞壽命預測提供參考依據[7-8]。取車體前十一階自由模態在ANSYS 有限元軟件平臺上對該車車體結構進行模態分析計算，計算所得自由模態頻率及振型特征匯總如表2 所示。

表2 自由模態頻率及振型特征匯總表

對車體前十一階模態進行分析研究發現，不同模態下，車體的薄弱部位主要集中在側墻中部車窗附近區域、側墻與車頂連接區域及側墻與底架連接區域內。

各階模態下，該區域內的變形以及應力都相應較大，而在會車的過程中，該區域的受力面又比較大，所以在極限條件下該區域的結構材料易產生疲勞，進而會降低該區域材料的強度，因此，設計時應重點關注一階模態、二階模態和四階模態，其振型圖如圖6所示。

圖6 模態振型圖

5 結論

本文以CR200J 動力集中型動車組拖車車體為研究對象，通過建立有限元模型進行了車體結構在幾種典型荷載工況下的靜力計算與模態分析，得出以下幾點結論：①分析得出該車體結構的受力薄弱點為車廂端部底架區域，并通過分析最大工作應力與許用應力的差值及最大工作位移與位移限值的差，為延長該類型車體的維修修程及車身結構的報廢年限提供參考依據，確保車體結構在生產運營階段的安全。②通過對該車體前十一階模態進行有限元模態分析計算，得出其固有頻率及各階振型圖。分析研究關鍵模態與固有頻率，得出在進行車體結構維修及后期報廢評估的過程中應重點關注一階模態、二階模態和四階模態作用下車體的變形以及應力。