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 謝  寧，盧耀輝

（西南交通大學(xué)  機(jī)械工程學(xué)院，四川  成都  610031）

摘要：以某高速列車(chē)中間車(chē)車(chē)體為研究對(duì)象，在ANSYS中建立其有限元模型，在EN12663標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行剛度及靜強(qiáng)度計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明：在計(jì)算工況下，車(chē)體垂向最大變形為6. 87 mm，最大當(dāng)量應(yīng)力為214. 418 M Pa;最大當(dāng)量應(yīng)力位置出現(xiàn)在車(chē)門(mén)門(mén)角處，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足車(chē)體的剛度及靜強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：高速列車(chē)；有限元分析；剛度及強(qiáng)度中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7：U260. 32

0  引言

 隨著高速動(dòng)車(chē)組的普遍運(yùn)行，對(duì)于高速列車(chē)車(chē)體強(qiáng)度方面的要求也越來(lái)越高，必須滿(mǎn)足列車(chē)相關(guān)方面所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。本文以某高速列車(chē)中間車(chē)車(chē)體為例，在EN126 63車(chē)體強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，結(jié)合該動(dòng)車(chē)組車(chē)體強(qiáng)度的計(jì)算特點(diǎn)，制定出高速車(chē)體靜強(qiáng)度計(jì)算工況，對(duì)其剛度及強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算與分析，并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。

1  中間車(chē)車(chē)體有限元模型的建立

1.1  中間車(chē)體有限元模型

 鋁合金車(chē)體主要采用大型中空擠壓型材，其厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，可以忽略沿厚度方向的應(yīng)力變化。本文利用ANSYS建立車(chē)體有限元模型，由于車(chē)體受力情況復(fù)雜，需要承受縱向和橫向剪切、垂向彎曲、縱向拉伸和壓縮等載荷，因此建立車(chē)體有限元模型時(shí)采用shell63殼單元。選擇合適單元尺寸，參照車(chē)體實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)車(chē)體局部位置人工網(wǎng)格控制，使整個(gè)模型具有較好的網(wǎng)格精度。由于整車(chē)車(chē)體是對(duì)稱(chēng)模型，故選擇半車(chē)進(jìn)行有限元模型的建立及分析，節(jié)省了大量時(shí)間和運(yùn)算步驟。建立的中間車(chē)車(chē)體有限元模型如圖1所示，共包含155 226個(gè)單元，116 021個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2  中間車(chē)車(chē)體材料特性

 A7NOl鋁合金是Al-Zn-Mg系的中強(qiáng)可焊合金，在軌道列車(chē)結(jié)構(gòu)材料中被大量使用，其焊接性能和焊縫質(zhì)量都比較優(yōu)越，是非常理想的中等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)焊接材料，但A7N01的焊接接頭在軌道列車(chē)應(yīng)用中也有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、腐蝕疲勞等缺點(diǎn)。本高速列車(chē)所用的A7N01鋁合金是我國(guó)國(guó)產(chǎn)的材料，其焊接填充材料采用SAF5356焊絲。A7N01鋁合金及焊縫材料屬性見(jiàn)表1。

2  中間車(chē)車(chē)體靜強(qiáng)度及剛度分析

2.1  中間車(chē)車(chē)體靜強(qiáng)度工況

 參考EN12663標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合該動(dòng)車(chē)組車(chē)體強(qiáng)度計(jì)算特點(diǎn)，制定出高速列車(chē)車(chē)體靜強(qiáng)度計(jì)算工況，其中部分工況狀態(tài)見(jiàn)表2。

 具體載荷處理如下：

 (1)對(duì)于車(chē)體自重，在ANSYS前處理模塊中輸入車(chē)體鋁合金材料的密度和重力加速度，程序根據(jù)模型各單元表面積、單元實(shí)常數(shù)自動(dòng)將單元載荷因子的信息記人總載荷進(jìn)行計(jì)算。

 (2)車(chē)內(nèi)設(shè)備（如座椅）、乘客、行李等載荷，以均布載荷的形式作用在底架的側(cè)梁上。

 (3)車(chē)頂空調(diào)設(shè)備、車(chē)體牽引變流器和冷卻裝置，按照設(shè)備安裝點(diǎn)的實(shí)際位置，以集中載荷的形式平均作用在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

2.2  車(chē)體強(qiáng)度及剛度計(jì)算結(jié)果

 利用車(chē)體垂向載荷工況（工況1）計(jì)算的表形值來(lái)校核車(chē)體的剛度，計(jì)算得到了車(chē)體最大變形，如圖2所示。由圖2可知，車(chē)體底架側(cè)梁垂向變形為6. 87 mm，相對(duì)變形較小，滿(mǎn)足EN12663標(biāo)準(zhǔn)。

 表3為車(chē)體靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。車(chē)體在第1～第6工況作用下，最大當(dāng)量應(yīng)力為214. 418 M Pa，產(chǎn)生于第5工況作用時(shí)，出現(xiàn)在車(chē)門(mén)門(mén)角處。同時(shí)車(chē)體上當(dāng)量應(yīng)力較大的部位還有車(chē)底設(shè)備懸掛處、車(chē)體側(cè)墻與底架交界處，而其余部位的應(yīng)力則較小。

 機(jī)車(chē)車(chē)輛承載結(jié)構(gòu)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷作用下，其靜強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和運(yùn)行的條件為：

 (1)在正常運(yùn)行載荷作用下，其最大Von_ Mises應(yīng)力不大于車(chē)體材料的許用應(yīng)力，即：

 上述工況中，工況1為正常運(yùn)行載荷，用式(1)進(jìn)行校核，材料的許用應(yīng)力用材料屈服極限Ós與安全系數(shù)S的商計(jì)算，根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)< 200 km/h及以上速度級(jí)鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》，正常運(yùn)行載荷下安全系數(shù)S=1.5。A7N01鋁合金材料屈服極限為295 M Pa（不考慮焊縫處），則材料許用應(yīng)力為197 M Pa，所以該車(chē)體滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。

 工況2～工況6為非正常運(yùn)行載荷，按式(2)進(jìn)行校核，材料屈服極限為295 M Pa，故滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。

3結(jié)論

 (1)在靜載荷作用下，車(chē)體結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，底架側(cè)梁垂向變形為6. 87 mm，相對(duì)變形較小，滿(mǎn)足剛度要求。

 (2)參照EN12663標(biāo)準(zhǔn)確定車(chē)體的6個(gè)靜載荷工況，在靜載荷作用下，車(chē)體最大當(dāng)量應(yīng)力為214. 418 M Pa，產(chǎn)生于工況5，出現(xiàn)在車(chē)門(mén)門(mén)角處，該最大當(dāng)量應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。