車(chē)體材料結(jié)構(gòu)及模態(tài)研究

摘要：車(chē)體作為軌道車(chē)輛的重要部件之一，不僅要滿(mǎn)足軌道車(chē)輛輕量化、智能化的要求，承受各種靜動(dòng)載荷，適應(yīng)最大運(yùn)行速度，在列車(chē)事故狀態(tài)下盡可能保證乘客安全，還要保證軌道車(chē)輛各系統(tǒng)部件振動(dòng)的協(xié)調(diào)性，滿(mǎn)足軌道列車(chē)舒適性、平穩(wěn)性要求。模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，整車(chē)模態(tài)的匹配性直接反映出車(chē)輛的穩(wěn)定性和舒適性，本文通過(guò)對(duì)不銹鋼城鐵車(chē)的車(chē)體結(jié)構(gòu)及模態(tài)分析，對(duì)車(chē)體的設(shè)計(jì)提出建設(shè)性意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：車(chē)體;材料;模態(tài)

1 車(chē)體結(jié)構(gòu)及模態(tài)研究的必要性

近年來(lái)，我國(guó)各大主要城市的軌道交通建設(shè)如火如荼，對(duì)地鐵及輕軌列車(chē)的需要越來(lái)越旺盛，列車(chē)速度也由原來(lái)的60-80km/h提高到100km/h。隨著列車(chē)速度的不斷提高，線(xiàn)路固有頻率范圍加寬，而車(chē)輛自重不斷減輕，其固有頻率降低，這樣就導(dǎo)致車(chē)體的低階彈性振型有可能處于線(xiàn)路的激擾范圍之內(nèi)，從而使車(chē)體產(chǎn)生較大的振動(dòng)。這樣帶來(lái)的危害：一是車(chē)體某些部位產(chǎn)生較大的變形，影響疲勞壽命;二是車(chē)體的振動(dòng)會(huì)傳遞到車(chē)上的地板、座椅，降低乘坐的舒適度。車(chē)身結(jié)構(gòu)除了必須具有足夠的強(qiáng)度以保證其疲勞壽命、足夠的靜剛度以保證其裝配和使用的要求外，還應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性以達(dá)到控制振動(dòng)和噪聲的目的。因此需要對(duì)其模態(tài)特性進(jìn)行研究。

鑒于目前各車(chē)型車(chē)體設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)、模態(tài)等性能方面的被動(dòng)性，必須總結(jié)規(guī)律，研究出優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高模態(tài)的有效途徑。合理的車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能最大程度發(fā)揮車(chē)體的承載能力，也能有效減小車(chē)體振動(dòng)，進(jìn)而提高乘坐舒適度和安全性。因此，需要針對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)輛模態(tài)特性的影響進(jìn)行深入研究，為車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，最終達(dá)到提高列車(chē)運(yùn)行舒適性及安全性的目的。

2 車(chē)體結(jié)構(gòu)

2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)基本要求

1）車(chē)體的設(shè)計(jì)壽命不低于30年;在30年內(nèi)車(chē)體結(jié)構(gòu)件無(wú)重修或加固。

2）車(chē)體設(shè)計(jì)符合EN 12663《鐵路車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)中歸屬P-Ⅲ（地鐵和快速運(yùn)輸車(chē)輛）類(lèi)結(jié)構(gòu)要求。車(chē)體承受各種最大垂直載荷的同時(shí)，沿車(chē)鉤縱向水平方向施加不小于1200kN的靜壓載荷，不小于960kN拉伸載荷。

3）車(chē)體的焊接滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和EN 15085標(biāo)準(zhǔn)或等同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

4）車(chē)體主體結(jié)構(gòu)采用SUS301L不銹鋼材料，底架前端采用碳鋼材料制造。

2.2 技術(shù)參數(shù)

車(chē)輛長(zhǎng)度（車(chē)鉤連接面之間的長(zhǎng)度）

TC車(chē) ??????24，400mm

Mp/M車(chē) ????22，800mm

列車(chē)長(zhǎng)度 ??140，000mm

車(chē)輛寬度 ??3，000mm

車(chē)輛高度 ??軌頂面至車(chē)頂之間的高度（新輪，不包括受電弓）≤3，800mm，受電弓（落弓高度）：3810--3890mm

客室內(nèi)部高度（從地板面至內(nèi)部車(chē)頂中心線(xiàn)） ≥2，120mm

從軌頂面至地板面高度（新輪、空載、空氣簧充氣） 1，130mm

轉(zhuǎn)向架中心距 ??15，700mm

車(chē)鉤水平中心線(xiàn)距軌頂面高度 ???720mm

2.3 主要結(jié)構(gòu)

A型不銹鋼車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)布置如圖1所示;A型不銹鋼車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)三維建模如圖2所示。

2.4 車(chē)體材料

車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)分為端墻、側(cè)墻、車(chē)頂、底架及其他連接部件幾部分，主要使用材料如表1所示。

3模態(tài)分析

采用有限元仿真計(jì)算方法，在Hypermesh軟件中建立車(chē)輛有限元模型，然后導(dǎo)入ANSYSR軟件中進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，分別對(duì)車(chē)體的鋁結(jié)構(gòu)模態(tài)、無(wú)吊掛設(shè)備時(shí)的整備模態(tài)、含吊掛設(shè)備（剛性聯(lián)接）時(shí)的整備模態(tài)進(jìn)行建模和計(jì)算，設(shè)備和車(chē)體模態(tài)匹配表計(jì)算結(jié)果如表2所示。

不銹鋼車(chē)體采用超低碳（C<0.03%）的SUS301L車(chē)輛專(zhuān)用經(jīng)濟(jì)不銹鋼，通過(guò)壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT5個(gè)強(qiáng)度級(jí)。SUS301L的改性壓延狀態(tài)機(jī)械性能代號(hào)HT的屈服點(diǎn)在961N/mm2以上，拉伸強(qiáng)度在1275N/mm2以上。其縱向彈性模量（E）卻只有鋼的85%，這意味著不銹鋼車(chē)體比同樣結(jié)構(gòu)的耐候鋼車(chē)剛度要小。剛度下降將導(dǎo)致舒適性下降。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，就必須考慮整車(chē)結(jié)構(gòu)特征和各個(gè)系統(tǒng)的布置，使得振動(dòng)最小。減小整車(chē)低頻振動(dòng)，可以從下面幾個(gè)方面來(lái)考慮：

①加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。車(chē)體承載結(jié)構(gòu)由型材或者由板梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成。增加這些梁結(jié)構(gòu)的截面積就可以增加其剛度。增加截面積可能受到空間布置的影響，在這種情況下，設(shè)計(jì)經(jīng)理及主管就需要權(quán)衡車(chē)體模態(tài)及整車(chē)空間布置的重要性，合理的進(jìn)行車(chē)體方案設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到提高剛度的目的。

②避免車(chē)下吊掛設(shè)備與車(chē)體的耦合振動(dòng)。一些需要主機(jī)廠(chǎng)自己設(shè)計(jì)的部件，如轉(zhuǎn)向架、車(chē)體承載結(jié)構(gòu)、車(chē)下吊裝設(shè)備、某些附屬系統(tǒng)等，應(yīng)該避開(kāi)車(chē)體承載結(jié)構(gòu)的第一階垂向模態(tài)頻率和第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。為實(shí)現(xiàn)整車(chē)有較好的振動(dòng)噪聲性能，通常采用的方法是：使所設(shè)計(jì)部件的模態(tài)頻率值遠(yuǎn)高于車(chē)體承載結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲和一階扭轉(zhuǎn)頻率;將該部件布置在車(chē)體承載結(jié)構(gòu)的模態(tài)節(jié)點(diǎn)上。

③避免轉(zhuǎn)向架與彈性車(chē)體耦合振動(dòng)。為避免彈性車(chē)體與構(gòu)架耦合振動(dòng)、降低構(gòu)架振動(dòng)傳遞所導(dǎo)致的車(chē)體彈性振動(dòng)，懸架系統(tǒng)要盡可能安裝在車(chē)體的模態(tài)節(jié)點(diǎn)上。

4結(jié)論

我國(guó)軌道車(chē)輛研發(fā)技術(shù)經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，初期的軌道車(chē)輛車(chē)體采用碳鋼材質(zhì)。由于碳鋼車(chē)體存在耐腐蝕性差、質(zhì)量大、后期維護(hù)費(fèi)用高等缺陷，故碳鋼材質(zhì)在車(chē)體上的應(yīng)用顯著減少。后來(lái)，在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)進(jìn)行了不銹鋼車(chē)體的研發(fā)，并在車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等方面取得了重要突破。目前，我國(guó)軌道車(chē)輛車(chē)體廣泛選用不銹鋼材質(zhì)。

本文僅通過(guò)對(duì)我司典型項(xiàng)目車(chē)體材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)比分析，定性提出車(chē)體結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)在一定程度上影響車(chē)體模態(tài)特性，后續(xù)如果條件允許，可以選取某一典型車(chē)型有針對(duì)性的更改個(gè)別車(chē)體結(jié)構(gòu)參數(shù)（車(chē)體長(zhǎng)度、車(chē)體高度、軸距、車(chē)頂、側(cè)墻、底架等大部件型材斷面結(jié)構(gòu)及型材壁厚），通過(guò)三維建模及仿真計(jì)算等方法，進(jìn)一步定量的驗(yàn)證上述參數(shù)的改變對(duì)車(chē)體模態(tài)參數(shù)的影響程度，識(shí)別出上述參數(shù)中對(duì)車(chē)體模態(tài)參數(shù)影響最有利的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在后續(xù)車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中予以應(yīng)用。

合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是減輕重量的有效措施，優(yōu)化車(chē)體結(jié)構(gòu)是在保證兼顧車(chē)體強(qiáng)度與剛度的基礎(chǔ)上利用強(qiáng)度理論和優(yōu)化設(shè)計(jì)分析程序，把車(chē)體設(shè)計(jì)成為充分利用材料強(qiáng)度和整體承載筒形結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗(yàn)證明，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)，車(chē)體結(jié)構(gòu)重量至少可以減輕10%。合理的車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將使車(chē)體具有良好的動(dòng)態(tài)特性，不僅能避免與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架自振頻率接近，也能提高車(chē)體的彈性彎曲自振頻率，從而減小振動(dòng)，提高車(chē)輛的舒適性及安全可靠性。

作者簡(jiǎn)介：張艷杰（1982—），男，單位：長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司工程研究中心，高級(jí)工程師。

（作者單位：長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司工程研究中心）