城轨车辆轻量化不锈钢车体有限元分析

摘 要：根据城轨轻量化不锈钢车体的实际结构，建立车体有限元模型； 参考 国内外城轨车辆技术标准，确定 计算 载荷，进行车体应力计算及模态 分析 ，并将计算与试验结果对比，提出改进建议。

关键词：城市轨道车辆；不锈钢车体；有限元分析

为提高不锈钢车辆设计和制造水平，利用 MSC.Patran/Nastran有限元软件，结合天津津滨城市轨道不锈钢动车的车体结构，建立了该车体结构的有限元模型，进行强度计算和模态分析，以检验车体设计的合理性及车体结构强度是否达到设计要求，为进行车体碰撞分析和结构优化 研究 提供可靠依据。

1 轻量化不锈钢车辆主要参数和结构特点

为减小焊接变形和防止高温下不锈钢材料机械性能下降，该车体制造中大量采用点焊技术，并用接触焊代替弧焊。车体外墙板与骨架之间采用电阻点焊连接，车体主要承载结构中的梁柱之间则采用连接板点焊和塞焊连接，板的拼接采用先进的滚焊 方法 。由于点焊接头的强度低，接头部位强度难以满足要求，故不锈钢车体结构中骨架连接部位采用连接板连接。通过这种连接板连接方式不仅可以保证接头的强度，而且可以减小连接处的变形，保证车体的外观美[1]。

2 有限元模型和载荷工况

2.1 有限元模型的建立

根据该车体的结构特点，采用MSC.Patran 前处理软件建立车体的有限元模型。 该有限元模型共由167 448个节点，159 608个壳单元，18个实体单元，8 986 个 RBAR 单元，156 个RBE2 单元，1 014个弹簧单元组成。

计算扭转工况和模态分析时取整车作为计算模型。

2.2 载荷工况

参照标准[2]，确定表3中的7种工况进行计算。该车体采用空气弹簧，因此，动载荷系数 k取1.1[3]。

2.3 计算载荷和边界条件的处理 因结构和载荷对称，上述工况除工况５外，都要在纵向中央截面上施加对称约束。所有工况都要对弹簧施加垂向和横向约束，由于纵向只需约束刚体位移，因此，只需在车体一端任选两点约束其纵向位移。

因结构和载荷对称，上述工况除工况５外，都要在纵向中央截面上施加对称约束。所有工况都要对弹簧施加垂向和横向约束，由于纵向只需约束刚体位移，因此，只需在车体一端任选两点约束其纵向位移。

3 计算结果分析

3.1 应力分析

对于材料的许用应力，参考了相关标准[2～5]，并结合该不锈钢车体的特点，确定了不同工况下的安全系数。对只承受垂直载荷的工况安全系数取1.3，许用应力为材料的屈服极限除以安全系数；对既有垂直载荷又有纵向载荷的工况安全系数取1.1，许用应力为材料的屈服极限除以安全系数 ；扭转工况的安全系数取1.3，许用应力为对称循环疲劳极限除以安全系数。各工况下材料的许用应力值见表4。

在合成工况1下，司机室骨架的最大应力113 MPa 发生在前端和底架连接处，端部底架最大应力 256MPa 发生在一位端外枕梁腹板的椭圆孔边。波纹地板的最大应力 384MPa 发生在一位端侧墙和枕梁相交处。底架横梁最大应力365 MPa发生在二位端第一根横梁和侧墙连接处。窗角最大应力270 MPa 发生在前侧门小窗口和盲柱相交处。侧墙立柱最大应力288 MPa 发生在盲柱与小窗口相连处。可以看出车体结构应力都在许用应力范围之内（图3）。

其余工况下应力相对较小，且强度校核合格。

3.2 刚度 分析 该车体有限元计算的弯曲刚度和扭转刚度比国内其他城市轨道 交通 B 型车的弯曲刚度和扭转刚度要小一些。其原因一方面是不锈钢的弹性模量只有钢的 85%，另一方面是受车体断面尺寸的 影响 ，侧门宽度大，而上门框到车平顶板距离只有 300 mm。

3.3 模态分析

为避免车体模态与转向架固有频率过于接近而产生共振，引起轮轨间作用力剧增，降低乘坐舒适性，危及行车安全，需对车体进行模态分析。计算时不对车体施加任何约束，利用 M S C . N A S T R A N 提供的运动自由度边界条件，消除无约束刚度矩阵的奇异。前６阶振动频率如表５所示。通过与国内其他地铁和轻轨的自振频率比较，结果基本一致，满足使用要求。

4 计算与试验结果的比较

4.1 强度比较 从表6可看出在相同的位置对同方向应力进行比较，计算结果和试验结果有所不同，但其趋势是一样的。

4.2 刚度比较5 结论和建议

(1)使用壳单元模拟车体的钢梁结构，用刚性单元形成的约束方程模拟点焊和螺栓的有限元 方法 能较好反映轻量化不锈钢车体结构特点。

(2)计算结果表明该轻量化不锈钢车体的强度和刚度可以满足使用要求，强度和刚度的计算结果和试验结果趋势基本相同。

(3)从计算结果发现，焊点和结构都可能引起应力集中，因此，在制订该类型车辆工艺时应注意避免在结构易发生应力集中的区域布置焊点，还要控制焊点间距，避免焊点之间相互影响。

参考 文献

1 姚曙光，许平. 轻型不锈钢车体结构研究. 城市轨道交通研究，2004

（5）

2 TB/T1335-1996 铁道车辆强度计算及试验鉴定规范

3 GB/T7928-2003 地铁车辆通用技术条件

4 日本 工业 标准（JIS）E7105-1989铁道车辆车体结构的试验方法