剛度協調策略在高速列車車體結構優化設計中的應用

張相寧 李明高 高峰 劉東亮 伊召鋒

摘要：作為關鍵的人機界面部件和承載部件，高速列車車體在列車高速運行過程中承受著復雜多變的力學問題，容易產生應力集中區域，并造成強度問題和疲勞問題。若利用剛度協調策略，通過改進車體斷面及局部結構，可以使應力幅值有較大幅度的降低。文章對剛度協調策略在高速列車車體結構優化設計中的應用進行了探討。

關鍵詞：剛度協調策略；高速列車；車體結構；結構優化；應力幅值 文獻標識碼：A

中圖分類號：U271 文章編號：1009-2374（2016）05-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.015

1 概述

近年來，隨著我國高速列車的迅猛發展，特別是京滬、京廣、哈大等高速鐵路開始運營以來，對高速列車運行能力的要求不斷提高。作為關鍵的人機界面部件和承載部件，高速列車車體在列車高速運行過程中，承受著復雜多變的力學問題，如巨大的牽引力、空氣阻力等，車體的強度問題和疲勞問題尤為突出，因此，開展高速列車車體關鍵部位結構優化設計技術研究，降低其應力幅值，對于保障列車安全運行具有重要意義。

列車關鍵部位結構優化設計分為三個方面，即尺寸優化、形狀優化、拓撲（布局）優化。高速列車車體一般采用大型擠壓中空鋁型材焊接而成，容易產生強度問題和疲勞問題的為應力集中區域，根據參考文獻[2]可知，應力集中不過是現象，本質則是剛度的突然變化所致。大量的結構強度計算及試驗結果也表明，應力在固體局部區域內顯著增高的現象，多出現于尖角、孔洞、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其鄰域。因此，利用剛度協調策略，通過形狀優化來減小剛度突然變化是降低應力集中系數、提高結構強度儲備和剛度儲備的有效優化設計途徑。本文以某型號動車組為研究對象，利用剛度協調策略，在車體靜強度計算與試驗的基礎上進行優化，改進車體斷面及局部結構，使應力幅值有較大幅度的降低。

2 車體模型簡介

本文所研究的動車組車體結構采用全鋁合金整體承載內走廊式結構，由底架、側墻、端墻、車頂等焊接組成。在ANSYS中建立車體幾何模型，然后進行有限元網格劃分，車體平均網格邊長為80mm，主要采用板殼單元模擬，側門上角及端門補強角采用實體網格，車體與轉向架接口處、枕內外頂車位處、端墻加載區域、車鉤安裝區域等處設rbe3單元。車體材料為鋁合金，彈性模量E=69GPa，泊松比μ=0.33，剪切模量G=2（1+μ）/E，動車組有限元模型見圖1。

3 主要計算工況和結果分析

計算工況共計21個工況：8個縱向工況、9個抬車工況、1個垂向工況、1個扭轉工況和2個組合工況。在所有計算工況中，1500kN車端壓縮與垂向靜載組合工況的載荷工況最復雜，故以該工況分析校核強度。

3.1 載荷施加

在車內地板上施加均布載荷；在車內地板主變壓器和主變換裝置所在位置施加集中載荷；在兩端牽引梁處施加1500kN的壓力。

3.2 位移約束

在對稱剖面上施加對稱邊界條件（y向位移越多，x向和z向轉動約束）；在車輪支撐處，通過剛性梁單元施加z向位移約束；CE2端局部施加x向位移約束。中間車位移約束為：在對稱面上施加對稱位移約束（y向位移約束，x向和z向轉動約束）；在車輪區域添加剛性單元并在剛性單元的末端施加z向位移約束。

3.3 計算結果分析

中間車的最大應力發生在牽引梁末端區域，此處包含牽引梁腹板型材與底架地板型材的對接焊縫以及牽引梁腹板型材與牽引梁下蓋板型材的對接焊縫，其中最大應力為145MPa，大于焊縫熱影響區材料的屈服極限115MPa，該處結構不能滿足相關標準要求，在車輛運行過程中極有可能會發生損壞。因此，有必要對此區域進行優化改進。

除牽引梁區域外，在頂部與側墻交界處的圓弧處有應力集中且此處應力分布不均，梯度較大，如圖3所示：

4 結構優化

4.1 局部區域優化

根據計算結果與試驗結果可知，牽引梁區域需要優化改進。對牽引梁結構進行分析，發現牽引梁腹板型材與底架地板型材的對接焊縫以及牽引梁腹板型材與牽引梁下蓋板型材的對接焊縫處存在缺口，截面面積發生突變，拉壓剛度相應變化，造成較大應力集中。為了降低應力值，可利用剛度協調策略，將缺口處打磨圓滑，其有限元網格見圖4，該區域的最大應力值降為111.8MPa，滿足強度要求。

4.2 斷面結構優化

型材之間的相互連接狀況以及型材自身的斜筋布置、型腔大小都會影響應力的分布。調整型材SFE10-001XC第一個型腔的大小；對型材SFE10-003XC進行了內筋疏化。圖6（a）和6（b）分別給出了優化前后型材的不同布置，圖7為優化結構后應力結果。

（a）優化前 （b）優化后

5 試驗驗證

試驗工況共計15個工況：10個縱向工況、4個抬車工況、1個垂向工況及若干個組合工況，在1500kN車端壓縮與垂向靜載組合工況的載荷工況下，牽引梁末端區域也出現了應力超標，最大應力為137MPa。

同樣，在靜強度試驗時，按照優化后的三維模型樣式對缺口處打磨圓滑，但是由于人工打磨不能達到三維模型的精細度，該區域的最大應力值為114.6MPa，小于焊接區域材料的屈服強度，滿足強度要求。

6 結語

通過有限元計算及車體靜強度試驗對某動車組車體進行了分析和校核，在牽引梁區域的牽引梁腹板型材與底架地板型材的對接焊縫、牽引梁腹板型材與牽引梁下蓋板型材的對接焊縫處以及在頂部與側墻交界處的圓弧處存在應力集中現象。利用剛度協調策略對上述區域進行優化改進，使其最大應力峰值均有較大幅度降低，滿足了相關標準的強度要求。

參考文獻

[1] 劉輝，馬紀軍，姬芳芳，等.高速列車車體數值模擬和優化設計[J].計算機輔助工程，2012，21（4）.

[2] 丁彥闖，兆文忠.提高焊接結構疲勞壽命的剛度協調策略與應用[J].焊接學報，2007，28（12）.

基金項目：鐵道部科技項目（項目編號：2012J003-C）。

作者簡介：張相寧（1982-），男，河北辛集人，唐山軌道客車有限責任公司產品技術研究中心工程師，工學碩士，研究方向：軌道車輛仿真計算。

（責任編輯：周 瓊）