李 丽，钟 磊，2，王家恒，李 杰，苑 明

(1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000；2.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412000)

0 引言

随着轨道交通谱系的扩展及用户对全寿命周期内车辆安全性要求的提高，对国内某城市城轨车辆项目引入第三方认证机构，对整车及各部件在设计、生产制造、测试、运行等阶段进行全面的独立安全评估。 车体作为承载车辆安全运行的关键部件，其安全性受到了较多关注，引入更专业的第三方评估机构对车体静强度、疲劳、碰撞等进行全方面的评估，可以提升仿真计算的能力，完善仿真计算中存在的不足。本文在更严格的要求下对所设计的车体结构强度和防撞能力进行考察，就认证过程中车体静强度、疲劳强度及碰撞仿真存在的主要问题进行进一步的仿真和研究，为后续项目仿真提供经验。

1 静强度计算问题

1.1 支反力

车体静强度仿真根据《EN12663-2010+A1-2014》和项目的技术规格书的要求进行相应工况的加载和计算，结果输出时须考虑各工况支反力情况。从结构力学的角度看，当物体受到外载荷作用时，在约束中产生作用在被约束的物体上的力即为支反力。

外载荷为外界加在计算模型上的作用力，包括体力、面力、集中力3种不同的激励力。体力Fv主要包括模型自身的重力、运动引起的惯性力等；面力主要指作用在物体表面的力；集中力主要指激励力作用于计算模型的一个点上的力。在车体静强度计算时，外载荷仅考虑体力和集中力对计算模型的作用。在仿真计算中，将车体等效为弹性体，弹性体在受外载荷作用时仍处于平衡状态[1]。根据此原理，可以在各工况计算结果中读取相应约束点的支反力，用来判断在工况下，车体是否处于平衡状态。

1.2 支反力输出

以AW0整备状态车体计算工况为例。图1为该工况下车体各位置约束情况。

图1 AW0工况下车体约束示意图

在静强度计算完成后，在ANSYS中输入：Main Menu>>General Postprocessor>>List Results>>Reaction Solution ，即可根据约束情况输出各约束位置各方向的支反力。表1为AW0工况下各约束位置支反力。

表1 AW0工况下各约束位置支反力 单位：N

2 疲劳强度计算问题

根据《EN 12663-1-2010+A1 2014》标准规定，疲劳评估方法有耐久极限法和累积损伤法[2]。累积损伤法需要依赖载荷谱，由于具体项目中较难获取准确的载荷谱，因此，目前疲劳强度评估时耐久极限法被广泛应用。在仿真计算输入时，外部载荷的输入主要为运行状态下列车垂向、横向及纵向载荷，与之对应的转向架质量与正常有效运行载荷对疲劳计算存在一定的影响。

2.1 正常有效载荷的定义

对正常有效载荷的使用应根据实际车辆的运行环境进行合理选择。依据《EN 12663-1-2010+A1 2014》中“设计质量”定义指向为《EN 15663-2009》标准的规定：对于PⅡ-PⅢ类车辆，在整个运行寿命周期内可以使用正常设计有效载荷。《EN15663-2009》[3]标准中对正常有效载荷进行了具体要求。以上2个标准规定见表2。基于以上要求，在客流量较大的城市，车体疲劳计算正常设计载荷可以按照AW3载客量进行校核。

表2 正常有效载荷标准要求

2.2 有效载荷对疲劳的影响

疲劳仿真时，求得模型每个节点的最大等效主应力(σmax和最小等效主应力(σmin，再求出应力比R，然后按照《DVS 1608-2011》[4]标准对应的焊缝及母材的MKJ图中查出相应的许用应力值[σ]。该节点绝对值(σmax最大应力值与许用应力值相除，即为材料利用度D。若D小于0，则该节点的疲劳强度满足设计要求；否则，须改进该处的结构设计。

本项目中，Tc车AW3与AW2有效载荷输入见表3。下面就两种有效载荷作用下，选取典型的焊缝和母材上疲劳利用度较大点的疲劳计算结果进行对比[5]。

从表3中所列数据可以看出：有效载荷从AW2增加到AW3，总重量增加了68 670 N，但通过疲劳计算获得的结果中母材和焊缝处材料利用度变化不大，对于中间车的疲劳分析也存在相同的结论。分析认为，虽然有效载荷增加了，但增加的载荷对疲劳计算的影响体现在纵向载荷的稍微增加，对疲劳计算不会有较明显的影响。

表3 两种载荷输入对疲劳计算结果的影响

3 列车碰撞仿真问题

列车碰撞仿真主要依据《EN 15227:2008》 标准[6]。对于车体而言，提高碰撞仿真的准确性尤为重要。碰撞时，轨道列车的被动安全吸能过程为钩缓系统吸能—防爬器吸能—车体可变形区吸能进行顺序吸能。钩缓系统的载荷-行程曲线由供应商提供，而车体材料动态特性和防爬器等效建模的准确性对碰撞仿真极为重要。

3.1 碰撞材料特性

碰撞分析涉及几何非线性和材料非线性。碰撞发生时，由于破坏、失效、断裂等情况存在，势必会使得一些单元失效。仅考虑材料的线性问题不满足碰撞实际情况，而是要考虑材料的非线性。车体主结构材料6005A和6082在高速拉伸应变率分别为0.02/s、1/s、400/s、800/s，进行试验获得的真实应力-真实应变曲线如图2所示[7]。在Ls-Dyna中采用98号单元类型定义材料参数。由于碰撞时材料与轻微的应变率相关，采用Johnson-Cook本构关系计算得出的曲线与上述试验曲线吻合性较好。6005A材料在软件中的设置如图3所示。

图2 EN AW-6005A/EN AW-6082材料高速拉伸材料性能曲线

图3 EN AW-6005A材料参数设置

3.2 防爬器等效模拟

防爬器建模时，通常要建立防爬部、导向部、固定部。不同类型防爬器的材料性能和失效模式均有所不同，对于切削式防爬器的实体建模更为复杂。为提高建模效率，采用了非线性弹簧单元Beam_119模拟，在弹簧材料中加入防爬器的力-行程曲线来表征动态冲击过程中的响应特征。Beam_119可以实现离散梁单元3个自由度方向上力与位移吸能特性模拟，并且能够根据吸能部件的实际吸能特性设定加载与卸载曲线。碰撞过程中，防爬器须承受较大的纵向载荷，因此在仿真建模中仅激活Beam_119单元在列车纵向的自由度[8]。

通过以上材料参数的完善和防爬器建模的合理设置，碰撞计算结果满足《EN 15227:2008》 标准的要求。

4 结论

通过对第三方机构所提典型问题：静强度仿真工况支反力输出、载客量为AW3时对车体疲劳仿真的影响、考虑了车体材料的非线性特性的列车碰撞及车端防爬器等效建模的研究，充分说明以下几点。

1)所建立的车体有限元模型是准确的，各工况下车体受力处于平衡状态。

2)验证了车体在更为严苛的载客量输入前提下，仍满足疲劳评估的要求，且AW3载客量对车体的疲劳计算结果并未产生明显的影响。

3)考虑了车体材料非线性特性计算的列车碰撞更接近实际，同时采用防爬器等效建模的方式，在考虑了防爬器动态特性曲线前提下，提高了建模和仿真的效率，结果仍然满足相应的碰撞标准要求。