全自動駕駛地鐵不銹鋼車體靜強度和模態(tài)分析

許嬌，田愛琴，張文彬，張寅河，王瑜，王小杰

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)*

全自動駕駛地鐵不銹鋼車體靜強度和模態(tài)分析

許嬌1，田愛琴1，張文彬2，張寅河1，王瑜1，王小杰1

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)*

根據(jù)全自動駕駛地鐵不銹鋼車體結(jié)構(gòu)特點，簡化該車體幾何模型，建立相應(yīng)的有限元模型.基于車體靜強度計算標準，確定10種車體結(jié)構(gòu)靜強度的計算工況.在這些計算工況作用下，計算車體結(jié)構(gòu)的靜強度.計算在最大垂直載荷作用下車體結(jié)構(gòu)剛度，以及車體鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)與整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)模態(tài).計算結(jié)果表明全自動駕駛車輛不銹鋼車車體結(jié)構(gòu)的剛度、靜強度和模態(tài)均滿足車體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求.

不銹鋼車體；有限元；靜強度；模態(tài)

0 引言

全自動駕駛車輛車體材料主要采用高強度輕型不銹鋼.不銹鋼車體結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)輕量化設(shè)計，同時具有耐腐蝕、免油漆、維護成本低、防火性能好等優(yōu)點[1].然而，當焊接不銹鋼材料時，不銹鋼結(jié)構(gòu)易發(fā)生焊接變形.因此，為了避免大的焊接變形，不銹鋼車體結(jié)構(gòu)通常采用電阻點焊方法實現(xiàn)不同部件的連接，尤其是車體側(cè)墻結(jié)構(gòu).

為了保證地鐵車體結(jié)構(gòu)的剛度和靜強度滿足設(shè)計要求，在地鐵車體設(shè)計階段通常采用有限元分析方法校核車體結(jié)構(gòu)的剛度和靜強度.通過有限元方法的數(shù)值結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)地鐵車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足，進而能夠及時修改原始設(shè)計方案，最終提高產(chǎn)品研發(fā)速度和質(zhì)量，以及節(jié)約大量設(shè)計成本.李培等人[2]采用三維梁單元模擬點焊.他們計算在各種載荷工況作用下不銹鋼地鐵剛度和靜強度.杜健等人[3]通過優(yōu)化側(cè)墻點焊的數(shù)量和位置提高焊接效率和改善側(cè)墻疲勞性能.謝素明等[4]通過子結(jié)構(gòu)技術(shù)和變密度法優(yōu)化車體局部焊點布局，進而改善不銹鋼車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.劉婷婷等[5]通過不銹鋼車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)原始不銹鋼車體設(shè)計方案的不足.他們提出車體結(jié)構(gòu)的改進方案，從而使車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足技術(shù)標準的要求.許晶晶[6]調(diào)查在空車狀態(tài)和整備狀態(tài)下不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型.王小杰等[1]分析B型不銹鋼地鐵結(jié)構(gòu)的靜強度、穩(wěn)定性以及點焊與焊縫的疲勞性能.劉錫順等[7]根據(jù)不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果改進車體結(jié)構(gòu)設(shè)計.

根據(jù)《BS EN 12663：2010 Railway applications -Structural requirements of railway vehicle bodies》確定10種車體靜強度的計算工況.利用有限元方法求解在這些計算工況作用下不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的vonMises應(yīng)力.為了校核不銹鋼車體結(jié)構(gòu)剛度，本文計算在最大垂直載荷作用下車體結(jié)構(gòu)位移.在沒有考慮車體結(jié)構(gòu)位移約束情況下，計算車體鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)和整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)模態(tài).

1 車體結(jié)構(gòu)與有限元模型

全自動駕駛地鐵的中間車車體結(jié)構(gòu)采用薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)，它主要包括底架、側(cè)墻、車頂和端墻等.底架采用無中梁結(jié)構(gòu)，它由牽引梁、枕梁、緩沖梁、邊梁、波紋地板和橫梁等組成.側(cè)墻由上邊梁、下邊梁、側(cè)墻板、側(cè)墻立柱和內(nèi)層筋板等組成.車頂由波紋頂板、彎梁和空調(diào)平臺等組成.端墻由門立柱、門橫梁、端墻板和端角立柱等組成.該地鐵車體的長度、最大高度和最大寬度分別為19 000、3 800和2 800 mm.底架端部結(jié)構(gòu)采用Q345C耐候鋼，而其他車體結(jié)構(gòu)采用SUS301L-DLT/ST/MT/HT高強度輕型不銹鋼.

根據(jù)全自動駕駛地鐵不銹鋼車體結(jié)構(gòu)特點，采用殼單元離散車體主結(jié)構(gòu)，其中車體結(jié)構(gòu)的重要部位主要采用任意四邊形殼單元.由于某些車體結(jié)構(gòu)中通過點焊實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)之間的連接，采用點焊單元模擬焊點.通過剛性桿單元使縱向載荷、空調(diào)載荷和車下設(shè)備吊掛載荷作用在車體結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置上.整車有限元模型包括175.8萬節(jié)點、172.1萬殼單元和1.9萬點焊單元.

2 計算工況和評定標準

依據(jù)《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》，確定車體靜強度計算工況.車體靜強度計算工況主要包括10個計算工況：①計算工況1：空載工況；②計算工況2：定員工況；③計算工況3：超員工況；④計算工況4：最大運轉(zhuǎn)載荷工況；⑤計算工況5：最大運轉(zhuǎn)載荷與800 kN縱向壓縮載荷相結(jié)合的復(fù)合工況；⑥計算工況6：最大運轉(zhuǎn)載荷與640 kN縱向拉伸相結(jié)合的復(fù)合工況；⑦計算工況7：一端抬車工況；⑧計算工況8：兩端抬車工況；⑨計算工況9：三點支撐工況；⑩計算工況10：沖擊載荷工況.本文同時計算車體鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)和整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)模態(tài).

3 計算結(jié)果

3.1 剛度計算結(jié)果

在計算工況4(最大運轉(zhuǎn)載荷工況)作用下，車體底架側(cè)梁中部處最大垂向撓度為7.8 mm.該垂向撓度值小于兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離的1‰(12.6 mm).因此，該車體的剛度滿足《GB/T7928-2003地鐵車輛通用技術(shù)條件》要求.

3.2 靜強度計算結(jié)果

計算工況1-4主要調(diào)查在垂直載荷作用下車體結(jié)構(gòu)靜強度情況.在計算工況1-4作用下，車體結(jié)構(gòu)的vonMises應(yīng)力分布情況非常相似.由于計算工況4的垂向載荷比計算工況1-3的垂向載荷都大，所以在計算工況4作用下車體各個部件的vonMises應(yīng)力數(shù)值較大.在計算工況4作用下，由于側(cè)墻中枕內(nèi)第一個門發(fā)生較大菱形變形，所以側(cè)墻的最大vonMises應(yīng)力發(fā)生在側(cè)墻中枕內(nèi)第一個門的門上角，如圖1所示.門上角的vonMises應(yīng)力值為323 MPa，該值小于門上角材料的許用應(yīng)力(SUS301L-MT， 419 MPa).

圖1 側(cè)墻局部結(jié)構(gòu)的vonMises應(yīng)力云圖

計算工況5和6主要調(diào)查在垂直載荷和縱向載荷共同作用下車體靜強度情況.在計算工況5作用下，車體底架中牽引梁的最大vonMises應(yīng)力發(fā)生牽引梁下蓋板，如圖2所示.這是因為牽引梁下蓋板中圓孔產(chǎn)生應(yīng)力集中.下蓋板的vonMises應(yīng)力值為258 MPa，該值小于下蓋板材料的許用應(yīng)力(Q345C，300 MPa).在計算工況6作用下，車體底架中牽引梁的最大vonMises應(yīng)力同樣發(fā)生牽引梁下蓋板的圓孔處.下蓋板的vonMises應(yīng)力值為204MPa，該值小于下蓋板材料的許用應(yīng)力.

圖2 底架牽引梁的vonMises應(yīng)力云圖

在計算工況7-9中需要抬起車體結(jié)構(gòu)，并且轉(zhuǎn)向架與車體保持連接，因而在垂向載荷中考慮轉(zhuǎn)向架重量對車體結(jié)構(gòu)的作用.在車體處于抬起狀態(tài)時，車體重量主要由抬車座承擔(dān)，尤其是兩端抬車工況和三點支撐工況.因而，車體底架的最大vonMises應(yīng)力發(fā)生在抬車座區(qū)域.以計算工況8為例， 圖3顯示抬車座區(qū)域底架局部結(jié)構(gòu)的vonMises應(yīng)力云圖.邊梁的vonMises應(yīng)力值為260MPa，該值小于邊梁材料的許用應(yīng)力(SUS301L-HT，599 MPa).

圖3 抬車座區(qū)域底架局部結(jié)構(gòu)的vonMises應(yīng)力云圖

計算工況10主要調(diào)查沖擊載荷對與車下設(shè)備連接的底架結(jié)構(gòu)靜強度的影響.在計算工況10作用下底架橫梁的最大vonMises應(yīng)力發(fā)生在與濾波電抗器相連接位置，如圖4所示.底架橫梁的vonMises應(yīng)力值為246 MPa，該值小于底架橫梁材料的許用應(yīng)力(SUS301L-HT，599 MPa).

圖4 底架橫梁的vonMises應(yīng)力云圖

雖然本文僅給出在各個計算工況作用下車體部分結(jié)構(gòu)的vonMises應(yīng)力云圖，但是車體其他結(jié)構(gòu)的vonMises應(yīng)力值均小于車體材料的許用應(yīng)力.因此，該車體結(jié)構(gòu)靜強度滿足《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》的要求.

3.3 模態(tài)計算結(jié)果

模態(tài)分析中沒有考慮車體結(jié)構(gòu)位移約束.表1列出車體結(jié)構(gòu)主要的固有頻率. 整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)的整車一階彎曲固有頻率大于10 Hz，因此該車體結(jié)構(gòu)的固有頻率符合設(shè)計規(guī)范要求.

表1 車體結(jié)構(gòu)模態(tài)計算結(jié)果

4 結(jié)論

利用有限元分析方法求解在各種計算工況作用下全自動駕駛地鐵不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的剛度、靜強度和模態(tài)，得出如下結(jié)論：

(1)在最大垂直載荷作用下，車體底架側(cè)梁中部處最大垂向撓度小于兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離的1%.該不銹鋼車體剛度滿足《GB/T7928-2003地鐵車輛通用技術(shù)條件》的要求；

(2)在靜強度載荷作用下，不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的各個部件vonMises應(yīng)力均小于相應(yīng)的材料許用應(yīng)力.該不銹鋼車體結(jié)構(gòu)靜強度滿足《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》的要求；

(3)整備狀態(tài)下不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的整車一階彎曲固有頻率大于10 Hz，該不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的固有頻率符合設(shè)計規(guī)范的要求.

因此，全自動駕駛地鐵中間車車體結(jié)構(gòu)的剛度、靜強度和模態(tài)均滿足相關(guān)要求.

[1]王小杰, 李輝光, 梁炬星. B型不銹鋼地鐵車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析[J]. 科技資訊, 2014, 2014(9): 76-79.

[2]李培, 孫麗萍. 地鐵不銹鋼車體強度分析及試驗驗證[J]. 內(nèi)燃機車, 2011(4): 17-20.

[3]杜健, 丁叁叁. 地鐵不銹鋼車體側(cè)墻點焊結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 機車車輛工藝, 2010(3): 4-6.

[4]謝素明, 穆偉, 高陽. 不銹鋼點焊車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及局部焊點布局優(yōu)化[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報, 2013, 34(4): 12-16.

[5]劉婷婷, 劉海濤, 陳秉智. 不銹鋼點焊地鐵車車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報, 2013, 34(1): 6-9.

[6]許晶晶. 不銹鋼點焊結(jié)構(gòu)車體模態(tài)分析[J]. 現(xiàn)代機械, 2011(4): 29-30,56.

[7]劉錫順, 王大奎, 金曉瓊. 地鐵車輛MP車車體剛度及靜強度分析[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報, 2013, 34(2): 10-14.

Static Strength and Modal Analysis of Stainless Car Body of Automatic Driving Subway

XU Jiao1, TIAN Aiqin1,ZHANG Wenbin2, ZHANG Yinhe1, WANG Yu1, WANG Xiaojie1

(1.CRRC Qingdao Sifang Co. , Ltd, Qingdao 26611, China;2.Beijing MTR Construction Administration Corporation,Beijing 100068, China)

Based on structural features of the stainless car body of the automatic driving subway, the geometric model of this car body is simplified, and then the corresponding finite element model is established. Based on calculation standard of the static strength of the car body, 10 kinds of computational cases are determined and computed. Meanwhile, the stiffness of car body structure under maximum vertical load, the modal of the steel structure of car body and the modal of the structure of car body in working order are also computed. The computational results indicate that the stiffness, static strength and modal of the stainless car body of automatic driving subway satisfy the design requirements of the car body structure.

stainless car body; finite element method; static strength; modal

1673- 9590(2017)02- 0034- 03

2016-06-10 基金項目：北京市科技計劃課題資助項目(D161100000116001)

許嬌(1984-)，女，工程師，學(xué)士，主要從事高速列車和城軌車輛車體結(jié)構(gòu)強度仿真分析的研究 E- mail:xujiao@cqsf.com.

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