雷 成，肖守讷，罗世辉

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都610031;2.郑州铁路职业技术学院 车辆工程学院，河南 郑州450052)

0 引言

采用铝合金材料制造的车体具有制造工艺简单、减重效果好、耐腐蚀、运行平稳性好等优点[1］，因此，铝合金材料广泛地应用于高速动车组车体。

车体是动车组的主要承载部件之一，车体在运行过程中会受到各种力的作用。因此，要求动车组的车体具有足够的强度和刚度，并满足相关技术标准的要求。

目前，中国在高速动车组车体结构设计方面虽然进行了大量的研究，并取得了较大的进步，但与世界先进技术相比还有很大的差距，特别是在车体结构有限元分析方法方面[2］。

本文采用有限元法，利用有限元分析软件ANSYS建立某城际动车组车体结构的有限元模型，并依据EN 12663—2000[3］的有关规定对车体强度进行计算分析，得到车体结构在各个工况下的应力水平、刚度、自振频率及振型。

1 铝合金车体材料的力学性能

车体主要承载结构及司机室均为铝合金材料。所用材料的机械特性如表1所示，其中t表示板厚(单位mm)，即对应于不同的厚度，材料的机械特性有所不同。

表1 材料的机械性能

2 车体的有限元模型

由于铝合金车体的零部件基本是薄壁构件，所以车体结构全部采用壳单元shell63模拟;底架设备、空调和门窗采用质量单元mass21模拟，并施加在各自的位置上;二系悬挂采用弹簧单元combin14进行模拟;内装、管线等垂直荷载采用均布荷载的形式施加在地板上。

考虑到车体结构的对称性，并节省计算时间，计算模型采用半个车体模型[4］，取底架承载较重一边。利用ANSYS软件，采用壳单元，对整车结构进行离散，平均网格边长为40 mm。头车半车承载结构模型质量为4 285.5 kg，计算模型包括596 806个节点，779 470个单元，有限元模型如图1所示。中间车承载结构模型质量为4 077 kg，计算模型包括582 393个节点，754 299个单元，有限元模型如图2所示。动车组头车底架主要焊缝如图3所示，侧墙主要焊缝如图4所示，车顶主要焊缝如图5所示，端墙及司机室主要焊缝如图6所示。除司机室外，在车体部分，中间车的焊缝位置与头车一致。

图1 城际动车组头车的有限元模型

图2 城际动车组中间车的有限元模型

图3 动车组头车底架主要焊缝

图4 动车组头车侧墙主要焊缝

图5 动车组头车车顶主要焊缝

图6 动车组头车端墙及司机室主要焊缝

按照EN 12663—2000标准中的要求，对车体进行了14种静力考核工况和车体结构的模态分析，具体如表2所示。

仿真分析中母材和焊缝静态分析验收的标准如下:

(1)没有永久变形。

(2)EN 12663—2000中确定的许用应力安全因数为1.15，对垂向载荷工况、组合载荷的工况以及所有的拉伸压缩工况，其应力不超过材料的屈服应力。

表2 计算工况和载荷

3 铝合金车体的强度计算分析

3.1 车体结构的应力分析

以头车为例，对其有限元模型施加不同载荷工况下的边界条件，经过计算分析，各个工况下焊缝区的应力(距离焊缝一定距离的节点应力)最大值如表3所示。从表3中可以看出:各个工况下头车焊缝的应力都在许用应力范围内，符合静强度的要求。

表3 各个工况下头车焊缝的应力最大值 MPa

各个工况下头车母材区的应力最大值如表4所示。从表4中可以看出:各个工况下头车母材的应力都在许用应力范围内，符合静强度的要求。

表4 各个工况下头车母材的应力最大值 MPa

综上所述，头车的静强度满足要求。通过对中间车车体的计算分析，同样可以得出其静强度也满足要求。

3.2 车体结构的变形分析

根据EN 12663—2000中规定，底架纵向梁的最大垂向变形不得超过19 mm。在最大垂向载荷下的车钩1 000 kN拉伸载荷工况中，头车和中间车底架纵向梁的最大垂向变形最大。图7为该工况下头车车体结构的垂向变形，从图7中可以看出:两空气弹簧之间的底架边梁垂向挠度为13.70 mm，符合标准的要求。图8为中间车车体结构的垂向变形，从图8中可以看出:两空气弹簧之间的底架边梁垂向挠度为11.81 mm，符合标准的要求。

图7 头车车体结构的垂向变形

图8 中间车车体结构的垂向变形

3.3 车体结构的模态分析

车体结构的模态是评价列车运行安全性和乘坐舒适性的一个重要参数[5-6］。模态分析也是动车组车体设计中结构分析的主要内容之一[7］，尤其是低阶模态，能反映车体整体的刚度性能[8］。

模态分析按自由边界条件处理[9］，分别计算了在整备状态下和最大垂向载荷下的一阶垂向弯曲和一阶扭转模态。表5列出了城际动车组铝合金车体的自振频率，其中，头车整备状态下的一阶垂向弯曲模态如图9所示，一阶扭转模态如图10所示。

表5 城际动车组车体的振动模态

图9 头车整备状态下的一阶垂向弯曲模态

图10 头车整备状态下的一阶扭转模态

从图9和图10可以看出:整备状态和最大垂向载荷状态下车体的振动频率有所不同，这是由于两种工况的动载系数和乘客质量的不同造成的，两种状态下，头车和中间车的扭转频率都比较高，说明车体的扭转刚度较大。通过与同类型的车体模态相比较，该城际动车组车体的振动频率及振型符合要求，并能有效避开与转向架的相关振动模态，达到设计要求。

4 结论

(1)本文提出的14个载荷工况有效地模拟了城际动车组铝合金车辆在运营过程中的状态，运用这些载荷工况校核车体强度是合理的。

(2)经过计算分析，该城际动车组车体在各工况下的应力水平都不超过相应结构对应的许用应力，并且其垂向刚度变形在允许范围内，车体的强度、刚度和模态都满足标准EN 12663—2000的要求。

(3)计算结果表明:采用铝合金作为城际动车组的车体材料，在车体的强度和刚度满足标准要求的同时，也实现了车体质量的轻量化。

[1]钱立新.世界高速铁路技术[M］.北京:中国铁道出版社，2003.

[2]吴仁恩.基于ANSYS的铝合金车体结构有限元分析研究[D］.北京:北京交通大学机械与电子控制工程学院，2008.

[3]欧洲标准化委员会.EN 12663—2000轨道车辆的结构要求[S］.英国:英国标准协会，2000.

[4]周伟.地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析[J］.都市快轨交通，2007，20(5):47-49.

[5]雷成，肖守讷.地铁铝合金车体的结构设计和强度分析[J］.机车电传动，2006(1):54-56.

[6]王丹，李强.高速客车车体钢结构弹性模态分析研究[J］.北方交通大学学报，2001，25(4):94-96.

[7]王贺鹏，佟维.车体模态测试仿真[J］.内燃机车，2008(4):1-4.

[8]赵士忠，田爱琴，赵国忠，等.新一代高速动车组中间车车体的强度及自振频率[J］.大连交通大学学报，2012，33(4):12-15.

[9]白彦超，胡震，黄烈威.出口加纳动车组动车车体强度有限元分析及结构优化[J］.铁道车辆，2009，47(12):17-20.