1 引言

 

       轨道车辆是铁路运输的交通工具。随着列车运行速度不断提高，运行安全性成为铁路建设工作的重中之重，成为了车辆研究的关键课题之一。随着CAE技术的快速发展，利用CAE技术对车体性能进行分析后进行优化设计的方法成为可能。

 

       本文工作通过对某出口内燃动车组Mc车车体使用HyperMesh软件建立车体有限元模型，并进行静强度分析，根据静强度计算结果对车体局部结构进行了优化设计，最后通过对优化后的结构，参照具体规范考虑不同工况，进行了静强度、刚度及模态分析。计算结果表明：车体强度、刚度及模态均满足设计要求。

 

2 车体结构简介

 

       某出口动车组车体钢结构采用无中梁薄壁筒形整体承载焊接结构，主要由底架、侧墙、车顶、内外端墙等结构组成。车体钢结构如图1所示。

 

       底架主要是由牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁、横梁、波纹地板及动力包补强结构组成。其中动力包补强结构主要包括动力包区域的边梁补强结构和动力包上方的地板补强结构。

 

       侧墙结构主要是由侧墙上边梁、几字型立柱以及侧墙板组成。

 

       车顶主要是由车顶边梁、弯梁以及纵向梁组成。

 

       外端墙主要由端墙骨架、端墙外板以及小件等组成。其中端墙骨架采用梁、柱焊接形成。

 

       内端墙主要由角铁焊接而成的骨架组成。

图1 车体钢结构

 

3 车体原结构有限元分析

 

       3.1 有限元模型

 

       本文通过采用有限元软件HyperMesh[4]建立车体的有限元模型。

 

       由于某出口内燃动车组车体钢结构采用薄壁筒形整体承载焊接结构，所以整个车体结构大多采用四边形板壳单元进行模拟以便更好的接近真实结构。底架吊挂设备以质量单元的形式通过刚性单元施加在各自质心的位置，为了便于加载和施加边界条件在心盘座、空簧座、车钩前后从板座、转向架以及顶车位处添加了刚性单元。

 

       此次计算模型共包含335198个壳单元，316098个节点，22个刚性单元，22个质量单元。车体有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

 

       3.2 相关计算参数

 

表1 参数列表

 

       3.3 载荷边界条件

 

       （1）垂向载荷

 

       垂向载荷包括两部分：（一）正常运营状态下的车体质量载荷，包括水、沙、油、食物等所有运营所需物资的质量以及乘务人员的质量，这部分质量均布在底架横梁上；（二）两个转向架的质量载荷施加在心盘上。

 

       （2）纵向拉伸

 

       纵向600kN拉伸载荷，在一位端前从板座处和二位端车钩安装座处分别施加方向相反的600kN集中拉伸载荷。

 

       （3）纵向压缩

 

       纵向800kN压缩载荷，在一位端后从板座处和二位端车钩安装座处分别施加方向相反的800kN集中压缩载荷。

 

       （4）扭转载荷

 

       在车体一位端枕梁的端部施加方向相反的力使得车体产生的扭转力矩为40KN*m。

 

       3.4 计算工况的确定

 

       为了验证某出口动车组车体的强度和刚度，考虑了车体在运行过程中的实际情况，参考标准EN12663：2010《铁路应用—铁路车辆车体结构要求》确定某出口动车组共进行了6种工况的计算如表2所示，其中包括2个纵向工况，1个垂向工况，1个扭转工况和2个组合工况。

 

表2 计算工况列表

 

       3.5 车体静强度计算结果及分析

 

       通过对某出口动车组车体施加不同载荷工况下的边界条件，得到车体在各工况下的应力情况，各工况应力计算结果如表3所示。

 

表3 各工况应力计算结果

 

       从表3的计算结果可以看出，车体在各工况下的最大应力均小于材料的屈服极限，满足车体强度设计要求，但是局部位置应力集中比较明显，尤其是在牵引梁变截面处和动力包上方波纹地板处，应力值偏大，故需要对结构进行进一步的优化设计。

 

4 车体结构优化方案

 

       4.1 结构优化原则

 

       由强度计算结果可以看出车体应力分布不均，局部位置出现应力集中，应力值偏高。由于车体整体结构方案和接口基本确定，因此针对局部位置应力偏高的结构优化方案只能在车体原方案的基础上针对局部应力集中的情况进行局部结构补强，最终使得车体局部应力集中得到缓解，整体应力分布相对均匀。

 

       4.2 结构优化方案

 

       根据车体结构优化的原则提出结构优化方案：1）针对牵引梁变截面位置应力集中，应力值偏大的优化方案：在牵引梁腹板变截面处增加隔板，使牵引梁的两个腹板之间成为整体，提高牵引梁的整体承载能力，降低变截面处的应力，缓解应力集中；2）针对动力包区域承载较大的优化方案：（一）对边梁进行补强，在动力包安装的边梁区域形成双边梁嵌套的结构提高车体刚度；（二）在动力包上方的波纹地板上增加8mm的加强钢板，提高动力包上方地板的承载力，减小波纹地板的应力。

 

5 车体优化结构仿真分析

 

       5.1 车体静强度计算结果

 

       通过以上结构优化，得到优化后的车体主要部位的应力对比如表4所示：

 

表4 车体各工况下应力对比

 

       从表4的计算结果可以看出，优化后的结构应力集中的情况得到缓解，且整体应力分布更加均匀，尤其是牵引梁变截面处和动力包上方波纹地板处，应力下降比较明显。

 

       5.2 车体刚度计算结果

 

       最大垂向载荷下，车体底架边梁最大垂向位移为5.695mm，如图3所示，等于车辆定距的0.475‰小于1‰，满足车体刚度设计要求。

图3 最大垂载下底架边梁垂向位移云图

 

       5.3 车体模态计算结果

 

       本次模态分析采用无约束的自由边界条件，前6阶为车体的刚体模态，这里不再提取。前5阶模态的固有频率列于表5，车体一阶垂向弯曲模态出现于第2阶，其固有频率为19.0Hz；车体一阶扭转模态出现于第5阶，其固有频率为24.2Hz。车体一阶扭转模态和车体一阶垂向弯曲模态的振型如图4所示。

 

表5 车体钢结构模态固有频率和振型描述

图4 一阶垂弯模态（19.0Hz）

 

       从模态结果可以看出，车体钢结构一阶垂向弯曲振动频率为19.0Hz。根据有关资料，整备后车体弯曲振动频率因刚度增加会提高10％左右，但同时因质量增加而降低30％左右，即整备后车体弯曲振动频率总体降低20％左右。由此估算，某出口动车组动车整备状态下弯曲振动频率略高于15Hz，能满足车体整备状态下最低弯曲振动频率大于10Hz的动态设计准则要求。

 

6 结论

 

       （1）本文在对某出口内燃动车组进行静强度分析时，参照相关规范要求，并考虑多种工况的作用，最终得到结论，所有工况下最大应力均小于材料的屈服极限，结构静强度满足设计要求。

 

       （2）通过对静强度计算结果进行分析，针对局部位置应力偏高，提出了优化方案，并对优化方案进行了有限元分析，使得应力偏高区域应力缓解，最终使整体应力分布相对均匀。

 

       （3）通过对车体进行刚度计算分析，得到了车体底架边梁最大垂向位移5.695mm，等于车辆定距的0.475‰小于1‰，满足车体刚度设计要求。

 

       （4）通过对车体的模态分析，得到了一阶垂向弯曲固有频率为19.0Hz，满足最低弯曲振动频率大于10Hz的动态设计准则要求。