許彥強(qiáng)，肖守訥

（1 中國南車集團(tuán) 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京210031；2 西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

鐵路客車車體一般是比較復(fù)雜的大型空間焊接結(jié)構(gòu)，鐵路運(yùn)輸速度的提高 ，讓車輛結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性成為車輛研究的關(guān)鍵課題之一［1］。隨著有限元方法的逐步完善和計(jì)算機(jī)硬件水平的飛速提高，傳統(tǒng)的鐵路客車車體設(shè)計(jì)方式已經(jīng)逐漸消逝，而利用CAE技術(shù)結(jié)合有限元方法對車輛產(chǎn)品的功能、性能與安全可靠性進(jìn)行計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為當(dāng)今鐵路車輛設(shè)計(jì)的主流方法。

1 Tc車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)說明

該車為米軌車輛，整體為無中梁整體承載薄壁筒型結(jié)構(gòu)，車體斷面以及車長、車高均比國內(nèi)準(zhǔn)軌車輛小，地板為低地板，側(cè)墻采用平板結(jié)構(gòu)。為滿足國外客戶嚴(yán)格的質(zhì)量要求，該車在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)還必須兼顧輕量化，且因整體斷面變小，所以在車體整體剛度以及車體自振頻率的保證方面都增加了設(shè)計(jì)難度。車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)：TB／T 1335－1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》。另外，該車的設(shè)計(jì)還需要滿足運(yùn)輸以及帶轉(zhuǎn)向架吊裝的要求，故車體部分位置的強(qiáng)度必須達(dá)到吊裝時(shí)的工況要求。

1.2 主要材質(zhì)及焊接方式

該車的車體結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、車頂、端墻、司機(jī)室?guī)撞糠纸M成，車體結(jié)構(gòu)除底架波紋板、車頂頂板和側(cè)墻蒙皮采用05CuPCrNi材料之外，其他主要結(jié)果均采用09CuPCrNi－A、Q345－B及 Q235－A 材料。所有結(jié)構(gòu)均采用焊接組裝，主要的焊接形式為搭接焊、對接焊、塞焊和角焊。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)及材料性能

主要參數(shù)：設(shè)計(jì)速度120km／h，車長21 029mm，車寬2 805mm，車高3 765mm，車輛定距14 700mm，整車鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量10.57t（含車鉤），轉(zhuǎn)向架自重6.5t／個(gè)，整備質(zhì)量0.3t，載重9t，垂向靜載重下彈簧靜撓度大于200mm。車體用材料的主要性能參數(shù)見表1。

表1 Tc車車體所用材料的主要性能參數(shù)

2 車體計(jì)算分析過程

2.1 車體計(jì)算模型

車體內(nèi)所有的弧焊焊接均以節(jié)點(diǎn)重合的形式來簡化模擬，塞焊和點(diǎn)焊以梁單元或者約束方程來簡化模擬，采用板殼單元對該車進(jìn)行小網(wǎng)格離散，綜合考慮整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的焊縫長度之后，在選取有限單元的典型長度時(shí)選擇20mm，部分位置達(dá)到5mm。車輛設(shè)備均以質(zhì)量塊的形式施加在各自的質(zhì)心位置，通過一定的連接單元與安裝座連接；門窗、內(nèi)裝、管線與乘客等以均布力的形式施加在各自的位置上。最終車體承載結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量為9 996kg，如圖1。由于該車需要考慮整車吊裝等計(jì)算工況，故采用整車模型計(jì)算。最終計(jì)算模型的參數(shù)如下：

整車1 159 139個(gè)單元，其中包括：

5 798個(gè)SOLID45六面體單元；980 554個(gè)SHELL63板殼單元；4 764個(gè)COMBIN14彈簧單元；167 817個(gè)MASS21質(zhì)量單元。

圖1 整車有限元模型

2.2 載荷工況及邊界條件

根據(jù)TB／T 1335－1996和實(shí)際會遇到的載荷，對車輛模型的質(zhì)量進(jìn)行定義（見表2），并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)共設(shè)計(jì)了如表3所示的靜強(qiáng)度計(jì)算工況。

有限元法計(jì)算的原理實(shí)際上是求解由結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)化成的數(shù)學(xué)模型，所以必須在計(jì)算模型一些節(jié)點(diǎn)上設(shè)置一定的約束，從而利用這些約束條件讓結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)化成的剛度數(shù)學(xué)方程組可解。該車計(jì)算的邊界條件按照TB／T 1335－1996及TB／T 1806－2006《客車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法》的有關(guān)要求設(shè)置約束，帶轉(zhuǎn)向架整體起吊工況以結(jié)構(gòu)的實(shí)際支承情況設(shè)置約束。

表2 質(zhì)量及載荷符號說明

表3 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

經(jīng)過初步計(jì)算，車體結(jié)構(gòu)中有個(gè)別部位出現(xiàn)組合應(yīng)力偏大，超出了TB 1335－1996限定的許用應(yīng)力值，在不影響車體其他各部件安裝的情況下，對車體結(jié)構(gòu)做一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以下列舉部分位置加以說明。

在平頂與中部端頂?shù)倪B接位置處增加一根小彎梁，并與原有小彎梁之間用蓋板連成封閉結(jié)構(gòu)。平頂與中部端頂?shù)倪B接處是車體斷面改變的位置，即剛度突變的位置，所以該處的連接對應(yīng)力的傳導(dǎo)非常重要。經(jīng)過優(yōu)化，此位置最高應(yīng)力從314MPa降低至209MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力要求。

平頂處角型小彎梁改為帽型，與平頂帽型橫梁相對應(yīng)。對梁柱形成的骨架結(jié)構(gòu)中一個(gè)橫截面內(nèi)盡可能形成封閉結(jié)構(gòu)，若需采用不同的截面時(shí)，也必須采取立面相對接的方式連接，這樣有利于應(yīng)力的傳導(dǎo)。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，此位置最高應(yīng)力從363MPa降低至211MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力要求。

一位端牽引梁下蓋板，斜面上的工藝長圓孔上移，與牽引梁拐點(diǎn)位置錯開，另在牽引梁拐點(diǎn)位置增加隔板。在關(guān)鍵應(yīng)力傳遞路徑上不能發(fā)生傳遞鏈的斷開。牽引梁下蓋板作為重要部件，是應(yīng)力傳遞的重要部位，同時(shí)結(jié)構(gòu)中的拐點(diǎn)位置又是應(yīng)力比較容易集中的部位，拐點(diǎn)處工藝孔的存在導(dǎo)致該處應(yīng)力無法向下順利傳遞即發(fā)生應(yīng)力集中。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，此位置最高應(yīng)力從391MPa降低至196MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力要求。

2.4 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。在鐵路車輛領(lǐng)域通過模態(tài)分析，求解出車體的自振頻率（主要是一階垂向彎曲固有頻率和振動模態(tài)），用求解出的結(jié)果來檢查車體結(jié)構(gòu)自振頻率是否避開了轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭頻率。如果車體自振頻率與轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭頻率相近，那么車輛在運(yùn)行過程中，會發(fā)生很嚴(yán)重的共振現(xiàn)象，那將嚴(yán)重的影響車輛的舒適度［2］，那就需要對結(jié)構(gòu)做非常大的改動來滿足要求。所以，模態(tài)分析得出的車體一階垂向彎曲固有頻率是一個(gè)評價(jià)車體結(jié)構(gòu)舒適度非常重要的指標(biāo)，也是當(dāng)今鐵路客車設(shè)計(jì)必須要關(guān)注的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。

經(jīng)過模態(tài)計(jì)算，整備狀態(tài)下和超載狀態(tài)下的一階垂向彎曲整形圖分別如圖2所示。

圖2 整備狀態(tài)下和超載狀態(tài)下的一階垂向彎曲整形圖

車體結(jié)構(gòu)在整備狀態(tài)以及超載狀態(tài)下的振動頻率見表4。

表4 車體的振動類型及頻率

通過計(jì)算結(jié)果可知，整備狀態(tài)和超載狀態(tài)下，一階垂直彎曲振動頻率均大于10Hz［4］，車體結(jié)構(gòu)的振動特性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 靜強(qiáng)度試驗(yàn)測點(diǎn)位置、試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算對比分析

3.1 靜強(qiáng)度試驗(yàn)測點(diǎn)布置

試驗(yàn)測點(diǎn)一般分為靜強(qiáng)度應(yīng)力測點(diǎn)和撓度測點(diǎn)。

靜強(qiáng)度應(yīng)力測點(diǎn)一般根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合結(jié)構(gòu)分析情況進(jìn)行布置。主要承載構(gòu)件、受力大的部件、以及應(yīng)力集中較為嚴(yán)重的部位均應(yīng)布置測點(diǎn)。如窗角、門角、牽引梁變截面處、以及枕梁、牽引梁、邊梁、鐵地板等主要承載件的主要焊縫處。另外應(yīng)變計(jì)的布置方式還要根據(jù)測點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)確定單向應(yīng)變計(jì)、二向應(yīng)變計(jì)還是應(yīng)變花。

撓度測點(diǎn)主要集中在車體邊梁的中央部位、枕梁兩端的頂車位置。同一枕梁兩端部的測點(diǎn)必須布置在車體同一橫斷面的相同水平位置。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算對比分析

（1）試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果的影響因素

影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度因素：①車體結(jié)構(gòu)的焊縫質(zhì)量；②測點(diǎn)位置；③應(yīng)變計(jì)的種類；④載荷工況的加載位置以及試驗(yàn)邊界條件。

影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度因素：①有限元模型的精細(xì)程度；②有限元模型模擬結(jié)構(gòu)正確度；③載荷工況的加載位置以及邊界條件。

（2）對比分析工況選取

試驗(yàn)是否合格的標(biāo)準(zhǔn)是考慮測點(diǎn)位置的合成應(yīng)力是否超過許用應(yīng)力，相當(dāng)于考慮測點(diǎn)的組合應(yīng)力情況，故選擇計(jì)算中的組合工況與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對。

（3）試驗(yàn)結(jié)果

牽引梁B01測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力最大，其值為－216.0MPa。該測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力均小于材料的第一工況許用應(yīng)力。牽引梁下蓋板0203測點(diǎn)的頂車應(yīng)力最大，其值為－14.2MPa。

枕內(nèi)縱向梁0402測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力最大，其值為－80.8MPa，最大可能合成應(yīng)力小于材料的第1工況許用應(yīng)力。05′01測點(diǎn)的頂車應(yīng)力最大，其值為－34.1MPa。

枕梁1103測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力最大，其值為－143.8MPa，最大可能合成應(yīng)力小于材料的第1工況許用應(yīng)力。1103測點(diǎn)的頂車應(yīng)力最大，其值為13.5 MPa。

橫梁2201測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力最大，其值為75.2MPa，最大可能合成應(yīng)力小于材料的第1工況許用應(yīng)力。側(cè)梁3302測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力最大，其值為159.7MPa。所有測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力均小于材料的第1工況許用應(yīng)力。3701測點(diǎn)的頂車應(yīng)力最大，其值為106.5MPa。

波紋地板8103測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力最大，其值為－152.6MPa，最大可能合成應(yīng)力小于材料的第1工況許用應(yīng)力。82′03測點(diǎn)的頂車應(yīng)力最大，其值為－10.8MPa。

門角6102測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力最大，其相當(dāng)應(yīng)力值為－190.9MPa，小于材料的第1工況許用應(yīng)力。6103測點(diǎn)的頂車應(yīng)力最大，其相當(dāng)應(yīng)力值為－176.4MPa。

窗角6208測點(diǎn)的最大可能合成應(yīng)力最大，其值為193.5MPa，最大可能合成應(yīng)力小于材料的第1工況許用應(yīng)力。6302測點(diǎn)的頂車應(yīng)力最大，其值為151.2 MPa。所有測點(diǎn)的頂車應(yīng)力均小于材料的屈服極限。

3.2.4 計(jì)算結(jié)果

組合工況下，車體最大組合應(yīng)力BOTTOM層為206.3MPa，位于2位端車鉤牽引結(jié)構(gòu)橢圓形孔上；TOP層為214.96MPa，位于2位端車鉤安裝座上。

側(cè)墻最大組合應(yīng)力BOTTOM層為200.22MPa，TOP層為202.77MPa，位于二位端側(cè)墻左右門角上，如圖3。

車頂最大組合應(yīng)力BOTTOM層為173.68MPa，TOP層為204.19MPa，位于從2位端數(shù)頂蓋平頂?shù)?根小彎梁上。

底架邊梁最大組合應(yīng)力BOTTOM層為152.21 MPa，位于2位端枕梁后第5根橫梁與邊梁連接位置，TOP層為134.53MPa，位于一位端枕梁與邊梁連接處。如圖4。

圖3 車體側(cè)墻與端墻TOP面上應(yīng)力分布云圖

圖4 車體底架邊梁BOTTOM面上應(yīng)力分布云圖

3.2.5 結(jié)果對比

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后且計(jì)算結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求的有限元分析數(shù)據(jù)和符合標(biāo)準(zhǔn)要求的實(shí)際車輛試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分別取相同位置的計(jì)算應(yīng)力和試驗(yàn)應(yīng)力，對比數(shù)據(jù)見圖5，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算應(yīng)力大多是相近的，特別是側(cè)門門角、枕梁和牽引梁附近的數(shù)據(jù)非常接近，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)還存在一定的差異。

圖5 車體關(guān)鍵受力點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力與試驗(yàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)對比

計(jì)算得到該車輛的扭轉(zhuǎn)剛度為GJp＝13.26×108N·m2／rad，試驗(yàn)得出扭轉(zhuǎn)剛度為GJp＝6.0×108N·m2／rad，數(shù)據(jù)相差較大，但均大于 TB／T 1335－1996的推薦值5.5×108N·m2／rad，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

計(jì)算得到該車輛的垂向剛度為EJ＝2.62×109N·m2，試驗(yàn)得出垂向剛度為EJ＝2.0×109N·m2，數(shù)據(jù)相差不多，但均大于TB／T 1335－1996的推薦值1.8×109N·m2。

4 結(jié)束語

通過計(jì)算與試驗(yàn)對比，大部分位置具有相似性而且數(shù)據(jù)也很接近，說明計(jì)算過程中出現(xiàn)的應(yīng)力集中部位與實(shí)際情況是相同的，所以結(jié)構(gòu)中應(yīng)力傳遞的趨勢以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中位置完全可以通過計(jì)算得出。另外，計(jì)算應(yīng)力與試驗(yàn)應(yīng)力及車輛的剛度指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值［3］，故該車體完全滿足 TB／T 1335－1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的要求。

但是計(jì)算的理論基礎(chǔ)是彈性力學(xué)與有限單元法，該方法是將材料看做理想狀態(tài)，忽略了材料本身會出現(xiàn)的各種缺陷，同時(shí)在模擬焊接過程中，弧焊的模擬是將單元節(jié)點(diǎn)直接做了重合，即不考慮焊接本身會出現(xiàn)的缺陷。而實(shí)際試驗(yàn)中，車輛的材料和焊接不能完全達(dá)到計(jì)算時(shí)的理想狀態(tài)，且試驗(yàn)貼片時(shí)也會有誤差，故計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的差異。

在該車體設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，充分運(yùn)用了有限元虛擬樣機(jī)技術(shù)，在車輛物理模型試制之前通過有限元分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這對車輛試制成功起到了關(guān)鍵性的作用。對車輛的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬仿真，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺隕，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在制造物理樣機(jī)之前將絕大部分出現(xiàn)的問題予以解決，這樣大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，也節(jié)省了后期改正物理樣機(jī)所需的大量時(shí)間和費(fèi)用。

［1］ 盧耀輝，曾 京.鐵路車輛關(guān)鍵部件靜強(qiáng)度及疲勞壽命的有限元分析方法［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21（10）：23－27.

［2］ 周 偉.地鐵不銹鋼車體靜強(qiáng)度計(jì)算及模態(tài)分析［J］.都市快軌交通，2007，20（5）：47－49.

［3］ TB／T 1335－1996.鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.

［4］ TB／T 1806－2006.鐵道客車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法［S］.

［5］ 中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所.200km／h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定［S］.