快速貨運(yùn)動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

郭志成，鄭 偉，于洋洋，李現(xiàn)遠(yuǎn)，高寶杰

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

快速貨運(yùn)動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)采用長大中空鋁合金擠壓型材組焊而成，為薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、車頂、端墻、設(shè)備艙和車體附件等部件組成。車體結(jié)構(gòu)以CR400AF動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)平臺(tái)為基礎(chǔ)，按照等強(qiáng)度、輕量化設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)。

根據(jù)快速貨運(yùn)動(dòng)車組運(yùn)輸貨物的特點(diǎn)，車輛的兩側(cè)的側(cè)墻結(jié)構(gòu)上僅設(shè)置兩對(duì)門和通風(fēng)格柵，為了保證貨物出入動(dòng)車組的便利性，并提升裝卸效率，貨運(yùn)動(dòng)車組的門區(qū)凈空間較之前動(dòng)車組增大較多；側(cè)墻上不設(shè)置窗戶結(jié)構(gòu)；由于貨倉區(qū)無人值守，車內(nèi)不設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，車頂上方取消空調(diào)等相關(guān)設(shè)備；端墻未設(shè)置通過門等機(jī)構(gòu)；底架結(jié)構(gòu)根據(jù)貨倉地板方案進(jìn)行了局部調(diào)整，車體結(jié)構(gòu)及車體斷面簡圖見圖1。車體結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1。

圖1 車體結(jié)構(gòu)及斷面簡圖

表1 車體結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

1 車體有限元模型

1.1 計(jì)算坐標(biāo)系

分析計(jì)算涉及坐標(biāo)系的方向，均以下面的定義為準(zhǔn)：車體的結(jié)構(gòu)以XOZ平面為對(duì)稱面；坐標(biāo)原點(diǎn)位于兩枕梁中心的縱向?qū)ΨQ面軌道平面。（X向：車體縱向；Y向：車體橫向；Z向：垂直于軌道平面向上。）仿真分析坐標(biāo)系見圖2。

圖2 仿真計(jì)算坐標(biāo)系

1.2 車體有限元模型

車體結(jié)構(gòu)為鋁合金板材、梁及型材組成的焊接結(jié)構(gòu)，故側(cè)墻、車頂、端墻等主要結(jié)構(gòu)均采用SHELL單元按四節(jié)點(diǎn)薄板單元離散；底架枕梁、牽引梁、橫梁等采用SHELL單元按四節(jié)點(diǎn)薄板單元離散，網(wǎng)格尺寸范圍為10mm～20mm，采用剛性單元RBE2施加車鉤載荷；采用點(diǎn)載荷模擬車頂、車下設(shè)備載荷（施加位置為設(shè)備質(zhì)心），通過柔性單元RBE3連接設(shè)備各安裝點(diǎn)；整車計(jì)算模型共分為764069個(gè)單元，518113個(gè)節(jié)點(diǎn)[1-7]。整車有限元模型如圖3所示。

圖3 車體結(jié)構(gòu)有限元模型

2 計(jì)算工況和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 計(jì)算工況

快速貨運(yùn)動(dòng)車組為固定編組軌道車輛，車體強(qiáng)度按照EN 12663-1:2010+A1:2014《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求—第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛》標(biāo)準(zhǔn)中PⅡ類別要求執(zhí)行。車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析包括如下八個(gè)工況：①AW0垂直載荷；②最大垂直載荷(1.3＊AW3)；③車端壓縮載荷及垂直載荷AW3；④車端拉伸載荷及垂直載荷AW3；⑤地板上平面150mm處壓縮400kN；⑥車身腰帶高度壓縮300kN；⑦邊框頂條高度壓縮300kN；⑧三點(diǎn)支撐于兩端中心銷處分別施加1.1倍轉(zhuǎn)向架質(zhì)量載荷[8]。

2.2 材料參數(shù)

車體結(jié)構(gòu)中端墻部分主要采用板材拼焊，底架結(jié)構(gòu)中部分補(bǔ)強(qiáng)板和復(fù)雜結(jié)構(gòu)也采用板材，板材材料主要為A5083P-O；由于6系鋁合金具有良好的塑性和較高的強(qiáng)度，側(cè)墻、車頂和底架邊梁等主結(jié)構(gòu)由通長大型中空鋁合金型材拼焊的結(jié)構(gòu)均采用A6N01S-T5型材。鋁合金主要性能參數(shù)見表2。

表2 車體材料的基本力學(xué)特性

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

剛度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：車體的一階彎曲固有頻率不低于10Hz。

根據(jù)EN 12663，車體在各靜強(qiáng)度工況下的最大von Mises應(yīng)力應(yīng)小于材料的屈服強(qiáng)度，且安全系數(shù)不低于1.15。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

通過分析計(jì)算，快速貨運(yùn)動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)一階垂彎頻率為18.16Hz。

3.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3.2.1 AW0垂載工況分析結(jié)果

在該工況下車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位于門角內(nèi)側(cè)和門角邊梁底部位置。門角內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力值為105.5MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為1.94；門角邊梁底部的最大應(yīng)力值為25.25 MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為8.1。

3.2.2 最大垂載工況分析結(jié)果

在該工況下車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位于門角內(nèi)側(cè)和門角邊梁底部位置。

門角內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力值為142.4MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為1.94；門角邊梁底部的最大應(yīng)力值為47.36MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為4.33。

3.2.3 AW3+車鉤座1500kN縱向壓縮工況分析

在該工況下車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位于底架牽引梁和門角外側(cè)位置。

牽引梁處的最大應(yīng)力值為113.3MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205MPa，安全系數(shù)為1.81；門角外側(cè)的最大應(yīng)力值為153MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為1.34。

3.2.4 AW3+車鉤座1000kN縱向拉伸工況分析

在該工況下車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位于底架牽引梁和門角外側(cè)位置。牽引梁處的最大應(yīng)力值為86.37MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為2.37；門角外側(cè)的最大應(yīng)力值為122.3MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為1.68。

3.2.5 端部壓縮400kN工況分析

端部壓縮400kN工況，主要加載點(diǎn)位于地板面上方150mm處。在該工況下車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位于端墻彎梁和端墻焊縫處。端墻彎梁處的最大應(yīng)力值為120.8MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為1.70；端墻焊縫處的最大應(yīng)力值為64.92MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為125MPa，安全系數(shù)為1.93。

3.2.6 端部壓縮300kN（車身腰帶高度）

端部壓縮300kN工況，主要加載點(diǎn)位于車身腰帶處。在該工況下車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位于端墻彎梁和端墻焊縫處。端墻彎梁處的最大應(yīng)力值為83.2MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為2.46；端墻焊縫處的最大應(yīng)力值為63.06MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為125MPa，安全系數(shù)為1.98。

3.2.7 端部壓縮300kN（邊框頂條高度）

端部壓縮300kN工況，主要加載點(diǎn)位于車頂邊框頂條處。在該工況下車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位于端墻彎梁處。端墻彎梁處的最大應(yīng)力值為122.5MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為1.67。

3.2.8 三點(diǎn)臺(tái)車工況

在該工況下車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力位于門角外側(cè)處。該處的最大應(yīng)力值為131.3MPa，該處材料的許用應(yīng)力值為205 MPa，安全系數(shù)為1.56。

4 結(jié)論

利用有限元分析方法求解在各種工況作用下快速貨運(yùn)動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)和靜強(qiáng)度，得出如下結(jié)論：

（1）車體結(jié)構(gòu)的一階彎曲固有頻率大于10Hz，滿足車體結(jié)構(gòu)的固有頻率的設(shè)計(jì)要求。

（2）在各中壓縮、拉伸和垂載等單項(xiàng)和復(fù)合作用下，車體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力工況為：AW3+車鉤座1500kN縱向壓縮工況，在該工況門角外側(cè)安全系數(shù)為1.34，沒有超過材料的許用應(yīng)力。

因此，快速貨運(yùn)動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)和靜強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。