轨道车辆车体有限元计算分析研究

轨道车辆车体有限元计算分析研究

侯志林1刘涛2果立奎1张锦华1侯建英1

1.中车唐山机车车辆有限公司河北唐山063000；

2.中国铁路北京局集团公司唐山机车车辆监造项目部河北唐山063000

摘要：车体强度计算是轨道车辆车体设计的关键设计验证过程，计算分析结果可以作为证明车体设计方案合理的的有力依据，同时也为车体结构设计提供了优化设计的目标和方向，因此对轨道车辆车体设计来说有限元计算分析显得尤为重要［1］，目前轨道车辆车体计算分析主要参照《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范TB/T1335-1996》及《地铁车辆通用技术条件－GB7928》的有关要求，本文主要通过对车体结构进行介绍说明并按照车体强度设计规范要求对车体主结构进行有限元计算分析，依据车体强度计算分析结果对车体结果设计是否合理做出评价说明。

关键词：轨道车辆；车体；强度

1.结构简介

本计算研究对象采用不锈钢材质的新型地铁车辆。不锈钢车体的外形采用鼓形断面。车体由底架、侧墙、端墙、车顶组成。

车顶由波纹顶板、乙型梁、空调平顶等组成。侧墙由侧墙板、侧墙立柱、内层筋板等组成。端墙由门立柱、门横梁、端墙板、端角立柱等组成。底架由边梁、横梁、端部牵、枕、缓等组成。

该车辆的车体主要采用符合JIS4305标准的SUS301L系列的奥氏体不锈钢，在部分的非承载结构部位也少量采用SUS304材质。SUS301L系列的不锈钢材料具有强度刚度好、抗冲击性好、耐腐蚀、熔点高以及易于实现车体轻量化的突出优点，受到国外如日本及西欧各国轨道车辆制造业的普遍重视并已有多年运用历史，显示出较强的竞争力。按照车辆设计目标，不锈钢车体应有较高强度，各种工况下设计应力均不超过许用应力，因而使之在规定的最大载荷下不会产生永久变形，同时在30年的设计寿命周期内不会发生早期疲劳破坏［2］。

2.主要技术参数

轴重14t

动车转向架重量2*6.887t

车体长度19000

车体最大宽度2800

转向架轴距12600

底架设备重量3t

空调重量2*0.65t

超员满员325人（乘客人均重量按60千克/人）

3.强度计算载荷工况

3.1静力分析

计算采用大型通用有限元软件ANSYS9.0软件，按照《科教装[2001]21号》中静力分析中载荷及载荷组合工况的规定进行。

各单项载荷：

①垂向载荷

垂向静载荷包括自重、载重、整备重量。作用在地板面上的均布载荷，采用自下而上的计算方法，即采用轴重倒算的方法：

a地板面均布载荷

Fpz＝（14×4-2×6.887-3-1.3）×9800/53200000＝0.006986N/mm2

b下吊件载荷

Fcz1＝3×9.8＝29.4KN

吊件重量以集中载荷形式施加于其相应部位。

c空调重量

Fcz2＝0.65×2×9.8＝12.74KN

空调重量以集中载荷形式施加在车顶端部的空调安装座上。

垂向均布载荷＋垂向集中载荷=42.23t

AW0＝车辆自重－转向架重量×2＝35－13.774＝21.226t

动车最大超员载客按325人计算，60kg/人

AW3＝AW0＋311×0.06=21.226+18.66=39.886t

垂向总载按39.9t加载。

②纵向压缩载荷Fys

纵向作用车钩箱800KN的压缩载荷；

③纵向拉伸载荷Fls

纵向作用车钩箱640KN的拉伸载荷。

载荷组合工况：

工况1—垂向载荷：载荷①

工况2—垂向总载+纵向压缩：载荷②

工况3—垂向总载+纵向拉伸：载荷③

3.2模态分析

对车体作整备状态下无约束模态分析。

4．建立强度计算力学模型

4.1静态分析力学模型

不锈钢车体结构对称于纵向中心面，在静态分析时，利用结构对称性准则，沿车体纵向中心线取其1/2结构建立力学模型，在对称剖面加相应的对称约束，并按有限元法进行结构离散，采用了板壳单元。离散后，利用BEAM4单元节点耦合模拟心盘承载，实行垂向约束。1/2车体结构力学模型共有：结点总数119929单元总数127674

5.强度计算结果

5.1静力分析结果

各载荷组合工况的应力必须满足《TB1335-1996》中规定的载荷许用应力。计算结果应力为当量应力，单位为MPa。现将计算结果分述如下：

5.1.2强度评定

1）点焊强度参数［3］

根据试验结果，SUS301L（ST）材质焊点的强度特性参数为：

抗拉强度极限为598MPa，抗剪强度极限为631Mpa；若取安全系数为2，

则可得到点焊的许用应力为：[σ]=298MPa，[]=315MPa.

中值拉－拉疲劳极限为73.2MPa，可靠度为90％的疲劳极限值为64.6MPa。

2）不锈钢材质的静强度参数：

表1不锈钢材料的屈服极限和许用应力

工况1—垂向静载：

1.最大应力为236.4.169Mpa（许用应力为282Mpa），发生在车顶波纹板与平板区交界处。

2.车顶最大应力为236.4.169Mpa（许用应力为282Mpa），发生在一位端车顶边梁与弯梁相交处。

3.侧墙最大应力为118.797Mpa（许用应力为282Mpa），发生在一位端门立柱与窗顶纵梁连接处。

4.底架波纹地板最大应力为68.049Mpa（许用应力为282Mpa），发生在波纹地板与车端中梁交接处。

5.底架（耐候钢）最大应力为42.709Mpa（许用应力为236.4Mpa），发生在底架二位端枕梁与纵梁相交处.

工况2—压缩800KN+垂向总载：

1.最大应力为247.104Mpa（许用应力为282Mpa），发生在一位端车顶边梁与弯梁相交处。

2.车顶最大应力为247.104Mpa（许用应力为282Mpa），发生在一位端车顶边梁与弯梁相交处。

3.侧墙最大应力为169.073Mpa（许用应力为282Mpa），发生在一位端第二个门立柱与底架边梁连接处。

4.底架波纹地板最大应力为179.503Mpa（许用应力为282Mpa），发生在枕边第一根弯曲横梁位置波纹地板上。

5.底架（耐候钢）最大应力为123.726Mpa（许用应力为236.4Mpa），发生在枕梁与边梁交接处。

工况6—拉伸640KN+垂向总载：

1.最大应力为168.462Mpa（许用应力为282Mpa），发生在侧墙门立柱与底架边梁相交处。

2.车顶最大应力为133.837Mpa（许用应力为282Mpa），发生在一位端车顶边梁与弯梁相交处。

3.侧墙最大应力为168.462Mpa（许用应力为282Mpa），发生在一位端第二个门立柱与底架边梁交接处。

4.底架波纹地板最大应力为122.076Mpa（许用应力为282Mpa），发生在枕边中梁与波纹地板相交处。

5.底架（非不锈钢材质）最大应力为89.554Mpa（许用应力为236.4Mpa），发生在车钩箱小孔处。

结论：以上计算分析表明各载荷工况的计算应力均小于所采用材质的许用应力，满足《TB1335-1996》和《地铁车辆通用技术条件－GB7928》的要求。

参考文献：

[1]马爱军，周传月.Patran和Nastran有限元分析.北京：清华大学出版社，2005.

[2]杨剑，陈火红.MD.Nastran有限元实例教程应用实例教程.北京：机械工业出版社，2007.

[3]谢素明郭宗斌高阳.不锈钢电焊车体性能仿真模型的有效性分析.计算力学学报.2013（30）

作者简介：

刘涛（1976，12-），男，汉族，陕西凤翔，本科，高级工程师，中国铁路北京局集团公司唐山机车车辆监造项目部，机车车辆车体研究。